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Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugbatterie mit mehreren miteinander verschalteten galvanischen Zellen, die einerseits mit einem Pluspol der Fahrzeugbatterie und andererseits mit einem Minuspol der Fahrzeugbatterie elektrisch verbunden sind, wobei die galvanischen Zellen mit einem der beiden Pole elektrisch über mindestens ein Paar von antiseriell zueinander angeordneten Halbleiterschaltern elektrisch verbunden sind. Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug mit mindestens einer solchen Fahrzeugbatterie. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs mit einer solchen Fahrzeugbatterie. Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft anwendbar auf Fahrzeuge mit mehreren Fahrzeugbatterien, insbesondere mehreren Lithium-Ionen-Batterien.
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Es existieren Fahrzeuge, welche mehrere Fahrzeugbatterien aufweisen. Bei einem Fahrzeug mit mehreren Lithium-Ionen-Batterien ist deren Betrieb nur über einen dazwischengeschalteten Gleichspannungs (engl. DC/DC)- Wandler möglich. Aufgrund der flachen Leerlaufspannungs (engl. „Open-Circuit Voltage“, OCV)- Kennlinie ist es bisher nicht möglich, zwei Batterien an einer gemeinsamen Quelle wie einem Gleichspannungserzeuger (z.B. einem Startergenerator) zu betreiben, insbesondere wenn der Gleichspannungserzeuger eine höhere Spannung, z.B. 48 V, erzeugt als die Batteriespannung, z.B. 12 V bis 15 V. Somit wird bisher für jede Batterie ein eigener Gleichspannungswandler benötigt. Dies ergibt den Nachteil zusätzlicher Komponenten im Fahrzeug und damit einen geringeren freien Bauraum, ein höheres Gewicht sowie höhere Kosten.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden.
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Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Fahrzeugbatterie mit mehreren miteinander verschalteten galvanischen Zellen, die einerseits mit einem Pluspol des Energiespeichers und andererseits mit einem Minuspol des Energiespeichers elektrisch verbunden sind, wobei die galvanischen Zellen über einen ersten elektrischen Zweig oder Pfad (im Folgenden ohne Beschränkung der Allgemeinheit als „Hauptzweig“ bezeichnet) mit einem der beiden Pole elektrisch verbunden ist und der Hauptzweig mindestens ein Paar von antiseriell zueinander angeordneten Halbleiterschaltern aufweist, deren Steueranschlüsse unabhängig voneinander ansteuerbar sind.
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Diese Fahrzeugbatterie weist den Vorteil auf, dass sich ein selbsttätiges, situationsabhängige Begrenzen oder Unterbinden des Ladestroms und/oder des Entladestroms der galvanischen Zellen erreichen lässt. Dies wiederum ermöglicht vorteilhafterweise einen erhöhten Schutz der galvanischen Zellen vor Überladung, Tiefenentladung sowie zu hohen Lade- und Entladeströmen.
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Außerdem lässt sich so vorteilhafterweise eine Ladebilanzierung (auch als „Load-Balancing“ bezeichnet) über mehrere Fahrzeugbatterien umsetzen. Dadurch wiederum können auch mehrere Fahrzeugbatterien an den gleichen Gleichspannungserzeuger unter Zwischenschaltung eines gemeinsamen Gleichspannungswandlers angeschlossen werden, was Kosten, Bauraum und Gewicht spart. Speziell lässt sich durch mehrere erfindungsgemäße Fahrzeugbatterien ein Load-Balancing ohne übergeordnete Steuerung erreichen.
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Ferner kann die Fahrzeugbatterie durch Nutzung einer übergeordnete Steuerung vorteilhafterweise auf bestimmte Fahrzeugzustände (z.B. Umgebungsbedingungen wie Außentemperaturen usw., Einbausituationen, Fehlerfälle usw.) hin eingestellt oder angepasst werden.
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Die Fahrzeugbatterie ist dazu vorgesehen einen oder mehrere Verbraucher eines Fahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen, Sie ist insbesondere über einen Gleichspannungserzeuger des Fahrzeugs aufladbar.
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Es ist eine Weiterbildung, dass die galvanischen Zellen Lithium-Ionen-Zellen sind.
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Die galvanischen Zellen können seriell und/oder parallel miteinander verschaltet sein.
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Der Pluspol der Fahrzeugbatterie kann einer Klemme 30 entsprechen, der Minuspol einer Klemme 31.
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Unter einem Paar von antiseriell zueinander angeordneten Halbleiterschaltern können insbesondere zwei seriell miteinander verschaltete Halbleiterschalter verstanden werden, deren gleiche Nicht-Steueranschlüsse (bei Feldeffekttransistoren z.B. deren Source-Anschlüsse oder Drain-Anschlüsse) miteinander elektrisch verbunden sind und die deshalb bei nicht angesteuertem Steueranschluss Strom in unterschiedliche Richtung (antiseriell) durchlassen bzw. sperren.
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Unter einem Paar von antiseriell zueinander angeordneten Halbleiterschaltern können aber auch zwei seriell miteinander verschaltete Halbleiterschalter verstanden werden, die die wiederum antiseriell zu einem oder zwei in Serie geschalteten Halbleiterschaltern verschaltet sind. Dies ergibt den Vorteil, dass so sichergestellt werden kann, dass bei einem Kurzschluss eines Halbleiterschalters die Trennfunktionalität weiterhin gewährleistet ist. Durch diese Redundanz wird wiederum eine funktionale Sicherheit erhöht, wodurch sich z.B. die ASIL („Automotive Safety Integrity Level“)-Klassifikationen C und/oder D erreichen lassen.
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Somit können dann, wenn die Steueranschlüsse der Halbleiterschalter eines jeweiligen Paars unabhängig voneinander ansteuerbar sind, vier Schaltzustände erzeugt werden:
- - die Steueranschlüsse beider Halbleiterschalter sind mittels einer (ausreichend hohen) Steuerspannung angesteuert, so dass beide Halbleiterschalter bidirektional durchlassend bzw. leitend sind. Die beiden Halbleiterschalter bilden dann praktisch einen Kurzschluss;
- - die Steueranschlüsse beider Halbleiterschalter sind nicht angesteuert, so dass beide Halbleiterschalter in Sperrrichtung sperrend sind. Aufgrund der antiseriellen Anordnung sind die Sperrrichtungen entgegengesetzt, und die beiden Halbleiterschalter wirken zusammen bidirektional sperrend;
- - ein erster Halbleiterschalter der beiden Halbleiterschalter ist angesteuert, der andere, zweite Halbleiterschalter nicht. Somit ist der Strompfand durch die beiden Halbleiterschalter in Durchlassrichtung des zweiten Halbleiterschalters (verlustbehaftet) stromdurchlässig, in Gegenrichtung nicht;
- - der erste Halbleiterschalter ist nicht angesteuert, der zweite Halbleiterschalter ist angesteuert. Somit ist der Strompfand durch die beiden Halbleiterschalter in Durchlassrichtung des ersten Halbleiterschalters (verlustbehaftet) stromdurchlässig, in Gegenrichtung nicht.
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Durch entsprechende Ansteuerung der Halbleiterschalter lässt sich somit der Strompfad zwischen dem Pol der Fahrzeugbatterie und den galvanischen Zellen, denen der Hauptzweig zwischengeschaltet ist, vorteilhafterweise vielfältig einstellen, nämlich wahlweise bidirektional leitend, bidirektional sperrend, nur in Laderichtung leitend oder nur in Entladerichtung leitend.
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Es ist eine Weiterbildung, dass die Halbleiterschalter Feldeffekttransistoren sind. Es ist eine Weiterbildung, dass die Halbleiterschalter Isolierschicht-Feldeffekttransistoren sind. Es ist eine Weiterbildung, dass die Halbleiterschalter Isolierschicht-Feldeffekttransistoren sind. Es ist eine Weiterbildung, dass die Halbleiterschalter Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) sind. Es ist eine Weiterbildung, dass die Halbleiterschalter normal leitende, oder aus Sicherheitsgründen vorteilhaft, normal sperrende Feldeffekttransistoren sind. Es ist eine Weiterbildung, dass die Halbleiterschalter normal sperrende p-Kanal- oder, vorteilhafterweise, n-Kanal-Feldeffekttransistoren sind. Ganz besonders vorteilhaft ist der Einsatz normal sperrender n-Kanal-MOSFETs. Die normal sperrenden n-Kanal-MOSFETs eines Paars können beispielsweise mit ihren Drain-Anschlüssen oder, vorteilhafterweise, mit ihren Source-Anschlüssen miteinander verbunden sein.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass elektrisch parallel zu dem Hauptzweig ein zweiter elektrischer Zweig oder Pfad (im Folgenden ohne Beschränkung der Allgemeinheit als „Nebenzweig“ bezeichnet) vorhanden ist, der mindestens ein Paar von antiseriell zueinander angeordneten Halbleiterschaltern aufweist, deren Steueranschlüsse unabhängig voneinander ansteuerbar sind und die elektrisch seriell mit einem ohmschen Widerstand verschaltet sind. Dies ergibt den Vorteil, dass alternativ oder zusätzlich zu einer Stromführung zwischen dem betreffenden Pol und den galvanischen Zellen durch den Hauptzweig eine Stromführung durch den Nebenzweig erzeugbar ist, welche aber aufgrund des ohmschen Widerstands einen merklich geringeren Strom trägt als der Hauptzweig. Dies wiederum ergibt den Vorteil, dass dann, wenn ein Stromfluss zumindest in eine Richtung reduziert werden sollte (z.B., weil einen Zellenspannung Ucell einen oberen oder unteren Grenzwert erreicht oder eine Stromstärke zu hoch wird), der Stromfluss in zumindest diese Richtung nicht ganz unterbrochen zu werden braucht, sondern auch auf einfache Weise reduziert werden kann. Dies ist z.B. vorteilhaft bei sehr tiefen Temperaturen, bei denen eine Lithium-lonen-Zelle nur mit sehr kleinen Strömen (z.B. zellabhängig in einer Größenordnung < 10 A) geladen werden darf, weil ansonsten ein chemischer Vorgang (sog. „Plating“) erfolgt, der die Zelle beschädigt. Ein Generator oder Gleichspannungswandler, der typischerweise auf einen Bordnetzbedarf von weit mehr als 300 A ausgelegt ist, lässt sich hingegen nur schwierig genau auf einen Ladestrom < 10 A einregeln. Durch den Nebenzweig wird also der Vorteil erreicht, dass , der Generator oder Gleichspannungswandler kann mit voller Leistung weiterarbeiten kann und die Fahrzeugbatterie ihre galvanischen Zellen selbst schützt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass im Gegensatz zu - zum Zweck einer Verhinderung einer Tiefentladung und Überladung grundsätzlich auch einsetzbaren - Relais oder Bipolartransistoren eine höhere Effizienz erreicht wird.
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Die Halbleiterschalter des Nebenzweigs können analog zu den Halbleiterschaltern des Hauptzweigs ausgebildet sein.
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Die Steueranschlüsse des Hauptzweigs und die Steueranschlüsse des Nebenzweigs können über jeweilige unterschiedliche oder gemeinsame Treiber (im Fall von FETs auch als Gate-Treiber bezeichenbar) angesteuert werden. Die Treiber können dazu eine Steuerspannung UGS an die Steueranschlüsse anlegen, die niedriger (z.B. UGS = 0 V) oder mindestens so hoch wie eine Schwellspannung Uth ist (UGS ≥ Uth), wodurch die Halbleiterschalter sperrend bzw. leitend geschaltet werden.
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Es ist eine Weiterbildung, dass die Steueranschlüsse (bei Feldeffekttransistoren deren Gate-Anschlüsse) miteinander am einem gemeinsamen Knoten verschaltet sind.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass der elektrische Nebenzweig genau ein Paar von antiseriell zueinander angeordneten Halbleiterschaltern aufweist. Die ergibt den Vorteil, dass nur wenige Bauteile zum Aufbau des Nebenzweigs benötigt werden, was aufgrund der durch den ohmschen Widerstand bewirkten geringen Stromstärke problemlos ist.
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Es ist eine Weiterbildung, dass der elektrische Nebenzweig mehrere Paare von Halbleiterschaltern und einem ohmschen Widerstand aufweist, die elektrisch parallel miteinander verschaltet sind. Dies ergibt den Vorteil, dass die Stromstärke des durch den Nebenzweig geführten Stroms zur individuelles Zu- und Abschalten der jeweiligen parallelen Strompfade stufenweise variabel anpassbar ist.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass 4 der ohmsche Widerstand einen Widerstandswert zwischen 0,05 Ohm und 1 Ohm aufweist. So wird der Vorteil erreicht, dass die nur durch den Nebenzweig geführten Ströme merklich geringer sind als die nur durch den Hauptzweig geführten Ströme (z.B. einen Stromstärke von 5 % bis 10 % der nur durch den Hauptzweig geführten Ströme), aber dennoch so hoch, dass sich die oben beschriebenen Vorteile des Nebenzweigs erreichen lassen.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass der Hauptzweig mehrere elektrisch parallel zueinander verschaltete Paare von antiseriell zueinander angeordneten Halbleiterschaltern aufweist. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass der durch den Hauptzweig als Ganzes geführte elektrische Strom auf mehrere parallele Strompfade aufgeteilt wird, wodurch sich die (z.B. thermische und/oder mikrostrukturelle Belastung) für die einzelnen Strompfade verringert. Die Zahl der einzelnen Strompfade, die jeweils ein Paar von Halbleiterschaltern aufweisen, kann beispielsweise abhängig von:
- - dem von der Batterie maximal abgebbaren und/oder dem durch das Energiebordnetz maximal von der Batterie angeforderte Strom;
- - der Art der gewählten Halbleiterschaltern (Halbleitertyp, Modell usw.);
- - von dem eingesetzten Kühlkonzept der max. gewünschten/zulässigen Temperatur der Fahrzeugbatterie am Einbauort;
- - den Kosten;
- - dem benötigten Bauraum; und/oder
- - einer maximaler gewünschter/zulässiger Verlustleistung;
sein. Tendenziell ist z.B. eine umso höhere Zahl von elektrisch parallelen Strompfade sinnvoll, je höher maximal abgebbare und/oder maximal angeforderte Strom ist.
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Dass die Steueranschlüsse der mehreren elektrisch parallel zueinander verschalteten Paare des Hauptzweigs unabhängig voneinander ansteuerbar sind, umfasst in einer Ausgestaltung, dass Halbleiterschalter, die bei sperrender Schaltung in die gleiche Stromrichtung (verlustbehaftet) durchlässig sind, gleichzeitig sperrend oder leitend geschaltet werden. In anderen Worten werden in dieser Ausgestaltung alle Halbleiterschalter des Hauptzweigs, welche an den gleichen Nicht-Steueranschlüssen an einen gleichen Knoten angeschlossen sind (z.B. deren Source-Anschlüsse miteinander verbunden sind und deren Gate-Anschlüsse miteinander verbunden sind), synchron angesteuert.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass die Halbleiterschalter MOSFETs sind und die Source-Anschlüsse oder Drain-Anschlüsse jedes Paars miteinander elektrisch verbunden sind.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass die Steueranschlüsse mittels einer in die Fahrzeugbatterie integrierten Steuereinheit ansteuerbar sind. Dies ergibt den Vorteil, dass die Fahrzeugbatterie die Richtung und ggf. Stärke des zu den galvanischen Zellen fließenden Stroms autonom festlegen kann.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass der Hauptzweig einen Pluspol der Batterie mit den galvanischen Zellen elektrisch verbindet.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass die Fahrzeugbatterie dazu eingerichtet ist, eine an mindestens einer der galvanischen Zellen anliegende Zellspannung zu messen und die Steuereinheit dazu eingerichtet ist,
- - die Halbleiterschalter des Hauptzweigs für die Laderichtung des Stroms sperrend zu schalten, wenn die Zellspannung einen vorgegebenen oberen Grenzwert erreicht oder überschreitet,
und/oder - - die Halbleiterschalter des Hauptzweigs für die Entladerichtung des Stroms sperrend zu schalten, wenn die Zellspannung einen vorgegebenen unteren Grenzwert erreicht oder unterschreitet.
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So wird der Vorteil erreicht, dass eine weitere Aufladung der galvanischen Zellen bei Erreichen des oberen Grenzwerts verhindert wird, was deren Lebensdauer verlängern kann. Aus Sicht des Fahrzeugs ergibt sich der Vorteil, dass der Generator oder Gleichspannungswandler mit voller Dynamik betrieben werden kann, ohne dass Rücksicht darauf genommen zu werden braucht, ob in diese Batterie weiter eingespeist zu werden darf. Bei Vorhandensein einer zweiten Fahrzeugbatterie kann diese dadurch erst vollgeladen werden. Auch kann so der volle Bereich des Ladezustands („SoC“) genutzt werden, was sich vorteilhaft auf Kosten und Bauraum auswirkt; ansonsten müsste immer ein SoC-Vorhalt für Regelschwingungen im Versorgungsbordnetz vorhalten werden.
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Analog wird der Vorteil erreicht, dass eine weitere Entladung der galvanischen Zellen bei Erreichen des unteren Grenzwerts verhindert wird, was deren Lebensdauer ebenfalls verlängern kann, z.B. durch Verhinderung einer Tiefenentladung Bei zwei oder mehr verbauten Fahrzeugbatterien wird durch das Sperren der Laderichtung verhindert, dass sich die mehreren Batterien ständig umladen und damit gegenseitig entleeren. Vielmehr wird selbsttätig erreicht, dass mindestens eine Batterie bei abgeschaltetem Generator / Gleichspannungswandler in Laderichtung sperrt. Aus Fahrzeugsicht ergibt sich der weitere Vorteil, dass der Generator oder Gleichspannungswandler mit voller Dynamik betrieben werden kann, ohne dass Rücksicht darauf genommen zu werden braucht, ob aus dieser Batterie weiter versorgt zu werden braucht. Dadurch wiederum wird ein Derating verhindert. Bei Vorhandensein einer zweiten Fahrzeugbatterie kann diese dadurch erst bis zur Grenze der Tiefenentladung entladen werden.
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Es ist eine für den Fall, dass zusätzlich ein Nebenzweig vorhanden ist, vorteilhafte Ausgestaltung, dass die Steuereinheit dazu eingerichtet ist,
- - die Halbleiterschalter des Nebenzweigs für die Laderichtung des Stroms durchlassend zu schalten oder zu halten, wenn die Zellspannung einen vorgegebenen oberen Grenzwert erreicht oder überschreitet,
und/oder - - die Halbleiterschalter des Hauptzweigs für die Entladerichtung des Stroms durchlassend zu schalten oder zu halten, wenn die Zellspannung einen vorgegebenen unteren Grenzwert erreicht oder unterschreitet.
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So wird der Vorteil erreicht, dass ein zulässiger Lade-/Entlade-Strom keinen Spannungseinbruch (in Entladerichtung) und keine Überspannung (in Laderichtung) im Versorgungsbordnetz erzeugt oder zumindest nur um den definierten Wert der Bodydiode des jeweilig gesperrten Halbleiterschalters. Im Nebenzweig ist der Spannungswert von dem dort fließenden Strom und dem Widerstandswert des verbauten Widerstands abhängig.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass die Fahrzeugbatterie dazu eingerichtet ist, eine Stromstärke eines zu oder von den galvanischen Zellen fließenden elektrischen Stroms (Lade- oder Entladestrom) zu messen, und die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, dann, wenn die Stromstärke einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, die Paare der Halbleiterschalter des Hauptzweigs bidirektional sperrend zu schalten und die Paare der Halbleiterschalter des Nebenzweigs zumindest in Stromrichtung durchlässig zu schalten. So wird der Vorteil erreicht, dass ein möglicherweise zu einer Schädigung der galvanischen Zellen führender Auf- oder Entladestrom dadurch vermieden wird, dass dieser Strom nur noch über den Nebenzweig geführt wird und aufgrund des ohmschen Widerstands begrenzt ist. Außerdem lässt sich so der Vorteil erreichen, dass auch Komponenten im Bordnetz geschützt werden, z.B. durch eine „Inrush Current“-Begrenzung für Steuergeräte im Bordnetz bei Zuschalten der Batterie. Dies gilt analog für das Szenario „Fremdladen/Start“, da eine leere Lithium-Ionen-Batterie eine große Senke für das Spenderfahrzeug / den Strompfad von Einspeisepunkt bis zur Batterie darstellt. Stromverteiler oder Sicherungsboxen können durch diese Ausgestaltung strom- oder zeitgesteuert entlastet werden.
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Der Schwellwert kann beispielsweise abhängig sein von:
- - einer Temperatur der galvanischen Zellen,
- - eines Ladezustandes einer/der galvanischen Zellen,
- - einer Temperatur der Halbleiterschalter,
- - einer Umgebungstemperatur eines Fahrzeugs,
- - Belastung/Spannungslagen des Bordnetzes (die Batterie kann z.B. als Last vom Generator getrennt werden, um mehr Energie für das Bordnetz bereitzustellen),
- - einer I2t Derating-Funktion (Kabel, Steckerschutz) und/oder
- - einer Kurzschlusserkennung.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass die Steuereinheit datentechnisch mit einer batterieexternen Steuereinrichtung des Fahrzeugs datentechnisch gekoppelt ist und die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, Betriebsparameter der Fahrzeugbatterie an die batterieexterne Steuereinrichtung zu übermitteln und/oder Befehle zur Ansteuerung der Halbleiterschalter von der batterieexterne Steuereinrichtung zu empfangen. Dies ermöglicht eine noch flexiblere Nutzung der Fahrzeugbatterie. Die batterieexterne Steuereinrichtung kann z.B. ein Bordcomputer und/oder eine Energiemanagement-Einrichtung sein.
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Die datentechnische Kopplung kann z.B. über einen Datenbus umgesetzt sein, beispielsweise einen CAN-Bus.
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An die batterieexterne Steuereinrichtung zu übermittelnde Betriebsparameter können beispielsweise umfassen:
- - einen Ladezustand, SoC, der Fahrzeugbatterie bzw. der galvanischen Zellen,
- - einen Gesundheitszustand, SoH, der Fahrzeugbatterie bzw. der galvanischen Zellen, usw.
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Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Fahrzeug, das mindestens eine Fahrzeugbatterie wie oben beschrieben aufweist. Das Fahrzeug kann analog zu der Fahrzeugbatterie ausgebildet werden, und umgekehrt, und weist die gleichen Vorteile auf.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass das Fahrzeug mehrere Fahrzeugbatterien aufweist, von denen mindestens eine Fahrzeugbatterien einer Fahrzeugbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche entspricht. Dies ergibt den Vorteil, dass auch ein Load Balancing autonom durchführbar ist, insbesondere falls mehrere der Fahrzeugbatterien wie oben beschrieben ausgebildet sind.
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Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs mit einer Fahrzeugbatterie wie oben beschrieben. Das Verfahren kann analog zu der Fahrzeugbatterie und dem Fahrzeug ausgebildet werden, und umgekehrt, und weist die gleichen Vorteile auf.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass vor galvanischem Anschluss der Pole der Fahrzeugbatterie an ein Energiebordnetz von der batterieexternen Steuereinrichtung ein Befehl an die Steuereinheit übermittelt wird, die Halbleiterschalter des Hauptzweigs zumindest in Entladerichtung sperrend zu schalten und die Halbleiterschalter des Nebenzweigs in Entladerichtung durchlassend zu schalten. Der Befehl kann z.B. über eine zuvor hergestellte Datenverbindung, z.B. einen CAN-Bus, übermittelt werden.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert wird.
- 1 zeigt ein Ersatzschaltbild einer erfindungsgemäßen Fahrzeugbatterie; und
- 2 zeigt ein mögliches Ablaufdiagramm zum Ansteuern von Halbleiterschaltern der Fahrzeugbatterie.
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1 zeigt ein Ersatzschaltbild einer erfindungsgemäßen Fahrzeugbatterie 1 mit mehreren hier in Reihe bzw. seriell miteinander verschalteten galvanischen Lithium-lonen-Zellen 2, die einerseits mit einem Pluspol K30 der Fahrzeugbatterie 1 und andererseits mit einem Minuspol K31 der Fahrzeugbatterie 1 elektrisch verbunden sind. Die galvanischen Zellen 2 sind hier mit einem Pluspol K30 über einen ersten elektrischen Zweig („Hauptzweig“) 3 elektrisch verbunden. Der Hauptzweig 3 weist rein beispielhaft drei parallel zueinander verschaltete Paare mit jeweils zwei antiseriell zueinander angeordneten Halbleiterschaltern 4a und 4b aufweist.
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Die Halbleiterschalter 4a und 4b sind hier als normal sperrende n-Kanal-MOSFETs ausgebildet, die bei (ausreichend hoher) an ihren Gate-Anschluss G angelegter Gatespannung bidirektional durchlassend sind (was auch als „leitend geschaltet“ bezeichnet werden kann), während sie bei nicht (ausreichend hoher) angelegter Gatespannung nur von ihrem Source-Anschluss S zu ihrem Drain-Anschluss D stromdurchlässig sind (was auch als „sperrend geschaltet“ bezeichnet werden kann), während sie in umgekehrter Richtung stromsperrend wirken, wie durch das Diodenzeichen angedeutet. Ist keine (ausreichend hohe) Gatespannung angelegt, tritt in Durchlassrichtung ein Spannungsabfall auf, der typischerweise stromunabhängig 0,5 V bis 1 V beträgt.
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Die Halbleiterschalter 4a und 4b des Hauptzweigs 3 sind hier mit ihren Source-Anschlüssen S miteinander verbunden, was einer antiseriellen Anordnung entspricht. Die Drain-Anschlüsse D der Halbleiterschalter 4a sind an den Pluspol K30 angeschlossen, während die Drain-Anschlüsse D der Halbleiterschalter 4b an den positiven Pol der Reihenschaltung der galvanischen Zellen 2 angeschlossen sind.
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Die als Steueranschlüsse dienenden Gate-Anschlüsse G eines jeweiligen Paars 4a, 4b sind unabhängig voneinander ansteuerbar, d.h., dass an die Gate-Anschlüsse G eines jeweiligen Paars 4a, 4b nicht gleichzeitig eine Gate-Spannung angelegt zu werden brauchen, aber es kann. Insbesondere kann also zu einem bestimmten Zeitpunkt an den Gate-Anschluss G des Halbleiterschalters 4a eine Gate-Spannung angelegt sein, während an den Gate-Anschluss G des Halbleiterschalters 4b keine Gate-Spannung angelegt ist, oder umgekehrt.
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Vorliegend sind die Gate-Anschlüsse G der mit dem Pluspol K30 verbundenen Halbleiterschalter 4a des Hauptzweigs 3 - ggf. über einen jeweiligen Gate-Vorwiderstand 5 - an einen gemeinsamen Gate-Treiber 6a der Fahrzeugbatterie 1 angeschlossen, durch den die Halbleiterschalter 4a gleichzeitig leitend oder sperrend geschaltet werden. Analog sind die Gate-Anschlüsse G der mit der Reihenschaltung der galvanischen Zellen 2 verbundenen Halbleiterschalter 4b des Hauptzweigs 3 an einen gemeinsamen Gate-Treiber 6b der Fahrzeugbatterie 1 angeschlossen, durch den die Halbleiterschalter 4a gleichzeitig leitend oder sperrend geschaltet werden, aber grundsätzlich unabhängig von den Halbleiterschaltern 4a.
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In die Fahrzeugbatterie 1 ist ferner eine Steuereinheit 7, z.B. ein Mikrocontroller, ASIC oder FPGA, integriert, der die Gate-Treiber 6a und 6b ansteuert, die jeweiligen Gatespannungen auszugeben. Somit sind die Gate-Anschlüsse G mittels der Steuereinheit 7 über die Gate-Treiber 6a und 6b ansteuerbar.
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Die Steuereinheit 7 kann mit einem analogen Frontend 8 verbunden sein, das dazu eingerichtet ist, die Zellspannung Ucell mindestens einer der galvanischen Zellen 2 zu messen und/oder, z.B. über einen Shunt 9, die Stromstärke des zwischen dem Minuspol K31 und der Reihenschaltung der galvanischen Zellen 2 fließenden Strom zu messen, zu digitalisieren und an die Steuereinheit 7 zu übertragen. Die Steuereinheit 7 ist dazu eingerichtet, die Halbleiterschalter 4a und 4b abhängig von der mindestens einen gemessenen Zellspannung Ucell und/oder der gemessenen Stromstärke zu schalten.
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Die Steuereinheit 7 ist über eine Bus-Schnittstelle 10, z.B. einen CAN-Busses, datentechnisch mit einer batterieexternen Steuereinrichtung (o. Abb.) des Fahrzeugs 1 wie z.B. einem Energiemanager, einem Bordcomputer, usw. datentechnisch gekoppelt. Die Steuereinheit 7 dazu eingerichtet ist, Betriebsparameter der Fahrzeugbatterie 1 wie die Zellspannung Ucell, ein Ladezustand (SoC), einen Gesundheitszustand (SoH) usw. an die batterieexterne Steuereinrichtung zu übermitteln und/oder Befehle zur Ansteuerung der Halbleiterschalter 4a, 4b von der batterieexterne Steuereinrichtung zu empfangen.
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Elektrisch parallel zu dem Hauptzweig 3 ist optional ein zweiter elektrischer Zweig („Nebenzweig“ 11) zwischen dem Pluspol K30 und der positiven Seite der Reihenschaltung der galvanischen Zellen 2 vorhanden, der wie eines der Paare von Halbleiterschaltern 4a und 4b in dem Hauptzweig 3 zwei antiseriell zueinander angeordnete Halbleiterschalter 4a und 4b in Form von normal sperrenden n-Kanal-MOSFETs aufweist. Deren Gate-Anschlüsse G sind unabhängig voneinander und unabhängig von den Gate-Anschlüssen G der Halbleiterschalter 4a und 4b des Hauptzweigs 3 ansteuerbar.
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In dem Nebenzweig 11 ist ein ohmscher Widerstand 12 elektrisch in Reihe mit den Halbleiterschaltern 4a und 4b verschaltet angeordnet. Dieser weit vorteilhafterweise einen Widerstandswert zwischen 0,05 Ohm und 1 Ohm auf.
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Die Steuereinheit 7 kann in einer Weiterbildung dazu eingerichtet sein, die Halbleiterschalter 4a und 4b des Hauptzweigs 3 und, falls vorhanden, des Nebenzweigs 11 in Abhängigkeit von der gemessenen Zellspannung Ucell anzusteuern, wie im Folgenden auch anhand des Ablaufdiagramms gemäß 2 genauer dargestellt.
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Gemäß dieser Weiterbildung kann die Steuereinheit 7, wie in Schritt S1 dargestellt, beispielsweise dazu eingerichtet sein, zu überprüfen, ob der gemessene Wert der Zellspannung Ucell einen vorgegebenen oberen Grenzwert Ucell,upper erreicht oder überschreitet, also ob Ucell ≥ Ucell,upper oder ob Ucell > Ucell,upper gilt.
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Ist dies nicht der Fall („N“), kann die Steuereinheit 7, wie in Schritt S2 dargestellt, dazu eingerichtet sein, zu überprüfen, ob der gemessene Wert der Zellspannung Ucell einen vorgegebenen unteren Grenzwert Ucell,lower erreicht oder unterschreitet, also ob Ucell ≤ Ucell,lower oder ob Ucell < Ucell,lower gilt.
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Ist dies auch nicht der Fall („N“), und liegt der gemessene Wert der Zellspannung Ucell somit zwischen diesen beiden Schwellwerten Ucell,upper, Ucell,lower, kann die Steuereinheit 7 dazu eingerichtet sein, beide Halbleiterschalter 4a und 4b des Hauptzweigs 3 durch Ausgabe einer Gate-Spannung bidirektional durchlassend zu schalten, wie durch Schritt S3 angedeutet. Der Hauptzweig 3 ist damit praktisch widerstandslos, und der Pluspol K30 liegt direkt an den galvanischen Zellen 2 an. Dabei hat das Vorsehen der mehreren parallelen Strompfade des Hauptzweigs 3 insbesondere den Vorteil, dass auch große elektrische Ströme problemlos durchgelassen werden können, und zwar sowohl von dem Pluspol K30 zu den galvanischen Zellen 2 im Fall eines (Auf-)Ladens der Zellen 2 als auch in umgekehrter Richtung beim Entladen der galvanischen Zellen 2.
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Tritt der Fall auf, dass die Zellspannung Ucell den vorgegebenen oberen Grenzwert Ucell,upper erreicht oder überschreitet („J“ nach Schritt S1), ist es wünschenswert, dass die galvanischen Zellen 2 nicht oder nur mit einem geringen Strom weiter aufgeladen werden.
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Ist der Nebenzweig 11 nicht vorhanden, können die Halbleiterschalter 4a, wie durch Schritt S4 angedeutet, durch Ausschalten der Gatespannung in dem Sinne sperrend geschaltet werden, dass sie, wie durch das Diodenzeichen angedeutet, für Ladeströme vom Pluspol K30 zu den galvanischen Zellen 2 sperrend wirken, aber Entladeströme in entgegengesetzte Richtung - unter Inkaufnahme eines Spannungsverlusts - durchlassen. Die Halbleiterschalter 4b bleiben hingegen durch Anlegen der Gatespannung bidirektional durchlassend. Durch dieses Schaltschema werden die galvanischen Zellen 2 durch Speisung von Verbrauchern des Fahrzeugs F wieder entladen, bis die Zellspannung Ucell wieder unter den vorgegebenen oberen Grenzwert Ucell,upper abgesunken ist. Folgend können die Halbleiterschalter 4a wieder durchlassen geschaltet werden.
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Ist auch der Nebenzweig 11 vorhanden, können für den Fall, dass die Zellspannung Ucell einen vorgegebenen oberen Grenzwert Ucell,upper erreicht oder überschreitet, in Schritt S4 beispielsweise beide Halbleiterschalter 4a und 4b des Nebenzweigs 11 durch Anlegen einer jeweiligen Gatespannung bidirektional leitend geschaltet werden oder sein. Dadurch werden die galvanischen Zellen 2 auch bei Überschreiten eines oberen Grenzwerts Ucell,upper weiter aufgeladen, aufgrund des ohmschen Widerstands 12 jedoch mit einer vergleichsweise geringen Stromstärke.
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Tritt der Fall auf, dass die Zellspannung Ucell den vorgegebenen unteren Grenzwert Ucell,lower erreicht oder unterschreitet („J“ nach Schritt S1), ist es wünschenswert, dass die galvanischen Zellen nicht weiter entladen werden.
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Ist der Nebenzweig 11 nicht vorhanden, können, wie in Schritt S5 angedeutet, die Halbleiterschalter 4a durch Aufgeben der Gatespannung für Ladeströme vom Pluspol K30 zu den galvanischen Zellen 2 bidirektional durchlassend geschaltet werden, während Entladeströme in entgegengesetzte Richtung durch sperrend Schalten der Halbleiterschalter 4b verhindert werden. Durch dieses Schaltschema können die galvanischen Zellen 2 nur aufgeladen werden. Ist die Zellspannung Ucell wieder über den unteren Grenzwert Ucell,lower angestiegen, können die Halbleiterschalter 4b wieder durchlassen geschaltet werden.
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Ist auch der Nebenzweig 11 vorhanden, kann für den Fall, dass die Zellspannung Ucell den unteren Grenzwert Ucell,lower erreicht oder unterschreitet, in Schritt S5 analog der Halbleiterschalter 4a des Nebenzweigs 11 durch Anlegen einer jeweiligen Gatespannung bidirektional leitend geschaltet werden oder sein, während Entladeströme in entgegengesetzte Richtung durch sperrend Schalten des Halbleiterschalters 4b verhindert werden. Alternativ kann der Nebenzweig 11 bidirektional gesperrt werden oder sein.
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Grundsätzlich können die Halbleiterschalter 4a und 4b des Nebenzweigs 11 in allen drei oben beschriebenen Fällen oder Regimen der Zellspannung Ucell durchlassend geschaltet werden oder bleiben. Sie können z.B. beide Halbleiterschalter 4a und 4b für den Fall sperrend geschaltet werden, dass die Fahrzeugbatterie 1 von dem restlichen Fahrzeug F getrennt sein soll, z.B. bei abgestelltem Fahrzeug F, bei Reparaturen, bei einem Batteriewechsel usw.
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Weist ein die Fahrzeugbatterie 1 aufweisendes Fahrzeug F mindestens eine weitere Fahrzeugbatterie 13, insbesondere des erfindungsgemäßen Typs, auf, wird der Vorteil erreicht, dass sich durch das eigenständige, situationsabhängige Begrenzen oder Unterbinden des Ladestroms und/oder des Entladestroms die Fahrzeugbatterien an den gleichen Gleichspannungserzeuger unter Zwischenschaltung eines gemeinsamen Gleichspannungswandlers anschließen lassen. Speziell lässt sich durch mehrere erfindungsgemäße Fahrzeugbatterien ein Load Balancing ohne übergeordnete Steuerung erreichen. Ferner kann die Fahrzeugbatterie durch Nutzung einer übergeordnete Steuerung auf bestimmte Fahrzeugzustände (z.B. Umgebungsbedingungen wie Außentemperaturen usw., Einbausituationen, Fehlerfälle usw.) hin eingestellt werden.
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Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt.
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Allgemein kann unter „ein“, „eine“ usw. eine Einzahl oder eine Mehrzahl verstanden werden, insbesondere im Sinne von „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ usw., solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist, z.B. durch den Ausdruck „genau ein“ usw.
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Auch kann eine Zahlenangabe genau die angegebene Zahl als auch einen üblichen Toleranzbereich umfassen, solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeugbatterie
- 2
- Galvanische Zelle
- 3
- Hauptzweig
- 4a
- Halbleiterschalter
- 4b
- Halbleiterschalter
- 5
- Gate-Vorwiderstand
- 6a
- Gate-Treiber
- 6b
- Gate-Treiber
- 7
- Steuereinheit
- 8
- Analoges Frontend
- 9
- Shunt
- 10
- Bus-Schnittstelle
- 11
- Nebenzweig
- 12
- Ohm'scher Widerstand
- 13
- Weitere Fahrzeugbatterie
- D
- Drain-Anschluss
- F
- Fahrzeug
- G
- Gate-Anschluss
- K30
- Pluspol
- K31
- Minuspol
- S
- Source-Anschluss
- S1-S5
- Verfahrensschritte
