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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem mit einer Batterie, die mehrere in Reihe geschaltete Batteriezellen aufweist und zum Einspeisen von elektrischer Energie in ein erstes Spannungsnetz vorgesehen ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben mehrerer Batteriezellen einer Batterie eines solchen Batteriesystems.
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Stand der Technik
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Batteriesysteme mit Lithium-Ionen-Batterien, von denen eine Spannung von 48 V bereitstellbar ist, rücken zunehmen in den Fokus der Automobilindustrie, da diese Batteriesysteme eine kostengünstige Möglichkeit zur CO2 Reduzierung darstellen. Wird ein solches Batteriesystem in einem Hybrid- oder Elektro-Fahrzeug eingesetzt, wird ein 48 V-Hochvoltnetz des Fahrzeugs mittels der entsprechenden Batterie mit elektrischer Energie versorgt. In heutigen Topologien wird zum Versorgen eines 12 V-Bordnetzes eines solchen Fahrzeuges mit elektrischer Energie ein Gleichspannungswandler verwendet. Der Gleichspannungswandler ist eingangsseitig parallel zu der entsprechenden Batterie und ausgangsseitig parallel zu dem Bordnetz geschaltet. Mittels des Gleichspannungswandlers wird so eine von dem Bordnetz bereitstellbare Bordnetzspannung von 12 V aus der von der Batterie bereitgestellten Spannung von 48 V generiert.
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Einstiegshybridfahrzeuge mit solchen Batteriesystemen sollten sehr geringe Herstellungskosten aufweisen. Diese Herstellungskosten können mit den heutigen Topologien nicht oder nur sehr schwer erreicht werden.
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Aus dem Dokument
EP 2 692 038 A1 ist es bekannt, mittels eines Transformators einen aktiven Ladezustandsausgleich zwischen Ladezuständen mehrerer Zellen einer Akkublockanordnung durchzuführen.
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Aus dem Dokument
US 2013/0076310 A1 ist ein System zum Durchführen eines Ladezustandsausgleichs zwischen Ladezuständen von Akkublocken einer Leistungsbatterie bekannt. Die Leistungsbatterie umfasst wenigstens zwei in Reihe angeordnete Akkublocke mit jeweils wenigstens einem Akkumulator. Das System umfasst wenigstens einen jeweils in Form eines Sperrwandlers ausgebildeten Gleichspannungswandler. Der Sperrwandler umfasst einen Transformator mit wenigstens einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung. Jeder Akkublock umfasst einen zugeordneten Schalter, über den der entsprechende Akkublock parallel zu einer zugeordneten der wenigstens einer Primärwicklung schaltbar ist. Die Sekundärwicklung ist mit einer Hilfsbatterie elektrisch verbindbar. Die von der Hilfsbatterie bereitstellbare Spannung ist kleiner als eine von der Leistungsbatterie bereitstellbare Spannung. Das System umfasst eine Überwachungsvorrichtung zum Überwachen jeder an einem der Akkublöcke anliegenden Spannung. Das System umfasst ferner eine Steuervorrichtung zum Steuern des Sperrwandlers und zum Empfangen von Spannungsinformationen von der Überwachungsvorrichtung. Die Steuervorrichtung ist dazu ausgebildet, bei Vorliegen einer an einem ersten der Akkublöcke anliegenden Spannung, die größer als eine an einem zweiten der Akkublöcke anliegende Spannung ist, den dem ersten Akkublock zugeordneten Schalter zu schließen. So wird elektrische Energie von dem ersten Akkublock zu der Hilfsbatterie transferiert, um einen Ladezustandsausgleich zwischen den Ladezuständen der Akkublöcke durchzuführen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Batteriesystem bereitgestellt, das eine Batterie, eine Steuereinheit, mehrere mittels der Steuereinheit steuerbare erste Schalter und einen Transformator mit mehreren Primärwicklungen und einer Sekundärwicklung aufweist. Dabei weist die Batterie mehrere in Reihe geschaltete Batteriezellen auf und ist zum Einspeisen von elektrischer Energie in ein erstes Spannungsnetz vorgesehen. Das erste Spannungsnetz ist dazu ausgebildet, eine erste Spannung bereitzustellen. Ferner ist jede der Batteriezellen über einen der jeweiligen Batteriezelle zugeordneten der ersten Schalter parallel zu einer der jeweiligen der Batteriezelle zugeordneten der Primärwicklungen schaltbar. Das Batteriesystem umfasst ferner einen mittels der Steuereinheit steuerbaren zweiten Schalter, über den die Sekundärwicklung parallel zu einem zweiten Spannungsnetz schaltbar ist. Das zweite Spannungsnetz ist dazu ausgebildet, eine gegenüber der ersten Spannung kleinere zweite Spannung bereitzustellen. Dabei ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, zum Einspeisen von in einer ersten der Batteriezellen gespeicherter elektrischer Energie in das zweite Spannungsnetz den der ersten Batteriezelle zugeordneten ersten Schalter wiederholt zu öffnen und zu schließen, alle anderen der ersten Schalter zu öffnen und den zweiten Schalter zu schließen.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Durch ein wiederholtes Öffnen und Schließen des der ersten Batteriezelle zugeordneten ersten Schalters wird erreicht, dass an der der ersten Batteriezelle zugeordneten Primärwicklung eine wechselnde Spannung anliegt, die als eine wechselnde erste Eingangsspannung dient. Diese wechselnde erste Eingangsspannung führt zu einem wechselnden ersten magnetischen Fluss in einem von den Primärwicklungen und der Sekundärwicklung umschlossenen Kern des Transformators. Dieser wechselnde erste magnetische Fluss führt wiederum zu einer wechselnden Spannung, die an der Sekundärspule anliegt und als eine erste Ausgangsspannung dient. Wenn der zweite Schalter geschlossen ist, wird die wechselnde erste Ausgangsspannung an das zweite Spannungsnetz angelegt, so dass elektrische Energie über den Transformator von der ersten Batteriezelle in das zweite Spannungsnetz transferiert wird. Wenn das Batteriesystem in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug eingesetzt wird, kann das erste Spannungsnetz ein Hochvoltnetz des Fahrzeugs und das zweite Spannungsnetz ein Niedervoltnetz beziehungsweise ein Bordnetz des Fahrzeugs sein. Vorteilhaft bei dem Batteriesystem ist, dass das Hochvoltnetz und das Bordnetz mittels des Transformators galvanisch voneinander getrennt und direkt von der Batterie mit elektrischer Energie versorgt werden können, ohne dass eine Verwendung eines Gleichspannungswandlers notwendig ist. Auf diese Weise können Herstellungskosten des Batteriesystems und somit auch des Fahrzeugs gesenkt werden.
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Gemäß einer ersten Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, jede Batteriezelle, insbesondere mit einer und derselben Häufigkeit, als die erste Batteriezelle auszuwählen. Auf diese Weise werden alle Batteriezellen gleich oft zur Versorgung des zweiten Spannungsnetzes mit elektrischer Energie eingesetzt und dadurch gleichmäßig entladen. Durch ein gleichmäßiges Entladen der Batteriezellen wird eine Wahrscheinlichkeit eines Auftretens von unterschiedlichen Ladezuständen der Batteriezellen reduziert. Alternativ oder zusätzlich ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, den der ersten Batteriezelle zugeordneten ersten Schalter gemäß einer ersten Taktung wiederholt zu öffnen und zu schließen. Auf diese Weise wird ein wiederholtes Öffnen und Schließen des der ersten Batteriezelle zugeordneten ersten Schalters aufwandsarm erreicht.
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Gemäß einer zweiten Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinheit weiter dazu ausgebildet, zum Einspeisen von in dem zweiten Spannungsnetz gespeicherter Energie in eine zweite der Batteriezellen den der zweiten Batteriezelle zugeordneten ersten Schalter zu schließen, alle anderen der ersten Schalter zu öffnen und den zweiten Schalter wiederholt zu öffnen und zu schließen. Durch ein wiederholtes Öffnen und Schließen des zweiten Schalters wird erreicht, dass an der Sekundärwicklung eine wechselnde Spannung anliegt, die als eine wechselnde zweite Eingangsspannung dient. Diese wechselnde zweite Eingangsspannung führt zu einem wechselnden zweiten magnetischen Fluss in dem von den Primärwicklungen und der Sekundärwicklung umschlossenen Kern des Transformators. Dieser wechselnde zweite magnetische Fluss führt wiederum zu einer wechselnden Spannung, die an der der zweiten Batteriezelle zugeordneten Primärwicklung anliegt und als eine wechselnde zweite Ausgangsspannung dient. Wenn der der zweite Batteriezelle zugeordnete erste Schalter geschlossen ist, wird die wechselnde zweite Ausgangsspannung an die zweite Batteriezelle angelegt, so dass elektrische Energie über den Transformator von dem zweiten Spannungsnetz in die zweite Batteriezelle transferiert wird. Auf diese Weise kann bei geeigneter Wahl der zweiten Batteriezelle ein aktiver Ladezustandsausgleich zwischen den Ladezuständen der Batteriezellen durchgeführt werden. Folglich kann mittels des Transformators und somit mittels einer und derselben Komponente sowohl das zweite Spannungsnetz direkt mit elektrischer Energie aus der Batterie versorgt werden, als auch einen aktiven Ladezustandsausgleich zwischen den Ladezuständen der Batteriezellen durchgeführt werden.
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Gemäß einer dritten Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, jede Batteriezelle, insbesondere mit einer und derselben Häufigkeit, als die zweite Batteriezelle auszuwählen. Auf diese Weise werden alle Batteriezellen gleich oft durch das zweite Spannungsnetz aufgeladen. Durch ein gleichmäßiges Aufladen der Batteriezellen wird eine Wahrscheinlichkeit eines Auftretens von unterschiedlichen Ladezuständen der Batteriezellen weiterhin reduziert. Alternativ oder zusätzlich ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, den zweiten Schalter gemäß einer zweiten Taktung wiederholt zu öffnen und zu schließen. Auf diese Weise wird ein wiederholtes Öffnen und Schließen des zweiten Schalters aufwandsarm erreicht.
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Gemäß einer vierten Weiterbildung der Erfindung beträgt die erste Spannung 24 V oder 48 V. Alternativ oder zusätzlich beträgt die zweite Spannung 12 V oder 14 V.
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Gemäß einer fünften Weiterbildung der Erfindung sind jede Primärwicklung und die Sekundärwicklung in gegenläufigen Richtungen aufgewickelt. Dadurch wird in einfacher Weise erreicht, dass eine an einer der Primärwicklungen anliegende wechselnde Spannung zu einer an der Sekundärwicklung anliegende wechselnde Spannung mit gleicher momentaner Polarität führt.
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Gemäß einer sechsten Weiterbildung der Erfindung ist eine Wicklungsanzahl jeder der Primärwicklungen kleiner als eine Wicklungsanzahl der Sekundärwicklung. Dadurch wird in einfacher Weise erreicht, dass eine an einer der Primärwicklungen anliegende wechselnde Spannung zu einer an der Sekundärwicklung anliegende wechselnde Spannung mit kleinerem Betrag führt.
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Gemäß einer siebten Weiterbildung der Erfindung ist der Transformator ein Ringkerntransformator. Durch einen Einsatz eines in Form eines üblichen Ringkerntransformators ausgebildeten Transformators wird eine Senkung von Herstellungskosten eines entsprechenden Batteriesystems ermöglicht.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben mehrerer Batteriezellen einer Batterie eines zuvor beschriebenen Batteriesystems. Das Verfahren umfasst einen ersten Schritt eines Einspeisens von in einer ersten der Batteriezellen gespeicherter elektrischer Energie in das zweite Spannungsnetz. Das Einspeisen erfolgt gemäß dem ersten Schritt durch wiederholtes Öffnen und Schließen des der ersten Batteriezelle zugeordneten ersten Schalters, Öffnen aller anderen der ersten Schalter und Schließen des zweiten Schalters.
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Bevorzugt umfasst das Verfahren einen zweiten Schritt eines Einspeisens von in dem zweiten Spannungsnetz gespeicherter elektrischer Energie in eine zweite der Batteriezellen. Das Einspeisen erfolgt gemäß dem zweiten Schritt durch Schließen des der zweiten Batteriezelle zugeordneten ersten Schalters, Öffnen aller anderen der ersten Schalter und wiederholtes Öffnen und Schließen des zweiten Schalters.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Für gleiche Komponenten und Parameter werden jeweils gleiche Bezugszeichen verwendet. In der Zeichnung ist:
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1 eine Anordnung mit einem gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ausgebildeten Batteriesystem mit einer Batterie, die dazu vorgesehen ist, ein in der Anordnung vorhandenes erstes Spanungsnetz und ein in der Anordnung vorhandenes zweites Spannungsnetz mit elektrischer Energie zu versorgen.
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Ausführungsform der Erfindung
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1 zeigt eine Anordnung 1 mit einem Batteriesystem 10 nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Das Batteriesystem 10 weist eine Batterie 20 mit mehreren in Reihe geschalteten Batteriezellen 21 auf. In der 1 sind beispielhaft drei der mehreren Batteriezellen 21 dargestellt.
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Das Batteriesystem 10 umfasst eine Steuereinheit (nicht dargestellt) und mehrere mittels der Steuereinheit steuerbare erste Schalter 30. Jeder der Batteriezellen 21 der Batterie 20 ist jeweils ein der ersten Schalter 30 zugeordnet.
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Das Batteriesystem 10 umfasst ferner einen Transformator 40 mit mehreren Primärwicklungen 41 und einer Sekundärwicklung 42. Der Transformator 40 umfasst einen Ringkern 43, der von den Primärwicklungen 41 und der Sekundärwicklung 42 umschlossen wird und folglich die Primärwicklungen 41 und die Sekundärwicklung 42 magnetisch miteinander koppelt.
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Jede Batteriezelle 21 der Batterie 20 ist über den zugeordneten ersten Schalter 30 parallel zu einer zugeordneten der Primärwicklungen 41 schaltbar.
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Ferner ist die Batterie 20 zu einem in der Anordnung 1 vorhandenen ersten Spannungsnetz 60 parallel geschaltet, so dass die Batterie 20 das erste Spanungsnetz 60 mit elektrischer Energie versorgt. Das erste Spannungsnetz 60 ist dazu vorgesehen, eine erste Spannung bereitzustellen. Das erste Spannungsnetz 60 ist beispielsweise in Form eines Hochvoltnetzes eines Fahrzeugs ausgebildet. Die erste Spannung kann beispielsweise einen Betrag von 24 V oder 48 V aufweisen.
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Das Batteriesystem 10 umfasst ferner einen mittels der Steuereinheit steuerbaren zweiten Schalter 50, über den die Sekundärwicklung 42 parallel zu einem zweiten Spannungsnetz 70 schaltbar ist. Das zweite Spannungsnetz 70 ist dazu vorgesehen, eine gegenüber der ersten Spannung kleinere zweite Spannung bereitzustellen. Das zweite Spannungsnetz 70 ist beispielsweise in Form eines Bordnetzes des Fahrzeugs ausgebildet. Das zweite Spannungsnetz 70 kann beispielsweise einen Betrag von 12 V oder 14 V aufweisen.
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Die Steuereinheit ist dazu ausgebildet, jede der Batteriezellen 21 mit einer und derselben Häufigkeit als eine erste Batteriezelle 21 auszuwählen. Ferner ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, zum Einspeisen von in der ersten Batteriezelle 21 gespeicherter elektrischer Energie in das zweite Spannungsnetz 70 den der ersten Batteriezelle 21 zugeordneten ersten Schalter 30 gemäß einer ersten Taktung wiederholt zu öffnen und zu schließen, alle anderen der ersten Schalter 30 zu öffnen und den zweiten Schalter 50 zu schließen.
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Durch ein wiederholtes Öffnen und Schließen des der ersten Batteriezelle 21 zugeordneten ersten Schalters 30 wird erreicht, dass an der der ersten Batteriezelle 21 zugeordneten Primärwicklung 41 eine wechselnde erste Eingangsspannung anliegt. Diese wechselnde erste Eingangsspannung führt zu einem wechselnden ersten magnetischen Fluss F1 in dem Ringkern 43. Dieser wechselnde erste magnetische Fluss F1 führt wiederum zu einer wechselnde erste Ausgangsspannung, die an der Sekundärspule 42 anliegt. Wenn der zweite Schalter 50 geschlossen ist, wird die wechselnde erste Ausgangsspannung an das zweite Spannungsnetz 70 angelegt, so dass elektrische Energie über den Transformator 40 von der ersten Batteriezelle 21 in das zweite Spannungsnetz 70 transferiert wird.
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Die Steuereinheit ist weiterhin dazu ausgebildet, jede der Batteriezellen 21 mit einer und derselben Häufigkeit als eine zweite Batteriezelle 21 auszuwählen. Ferner ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, zum Einspeisen von in dem zweiten Spannungsnetz 70 gespeicherter Energie in die zweite Batteriezelle 21 den der zweiten Batteriezelle 21 zugeordneten ersten Schalter 30 zu schließen, alle anderen der ersten Schalter 30 zu öffnen und den zweiten Schalter 50 gemäß einer zweiten Taktung wiederholt zu öffnen und zu schließen.
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Durch ein wiederholtes Öffnen und Schließen des zweiten Schalters 50 wird erreicht, dass an der Sekundärwicklung 42 eine wechselnde zweite Eingangsspannung anliegt. Diese wechselnde zweite Eingangsspannung führt zu einem wechselnden zweiten magnetischen Fluss F2 in dem Ringkern 43. Dieser wechselnde zweite magnetische Fluss F2 führt wiederum zu einer wechselnde zweite Ausgangsspannung, die an der der zweiten Batteriezelle 21 zugeordneten Primärwicklung 41 anliegt. Wenn der der zweiten Batteriezelle 21 zugeordnete erste Schalter 30 geschlossen ist, wird die wechselnde zweite Ausgangsspannung an die zweite Batteriezelle 21 angelegt, so dass elektrische Energie über den Transformator 40 von dem zweiten Spannungsnetz 70 in die zweite Batteriezelle 21 transferiert wird. Auf diese Weise kann bei geeigneter Wahl der zweiten Batteriezelle 21 ein aktiver Ladezustandsausgleich zwischen den Ladezuständen der Batteriezellen 21 durchgeführt werden.
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Bei dem in der 1 dargestelltes Batteriesystem 10 ist eine Auswahl einer Anzahl der Batteriezellen 21, einer Wicklungsrichtung der Primärwicklungen 41 und der Sekundärwicklung 42, einer Anzahl der Primärwicklungen 41 und eines Betrages der ersten und der zweiten Spannung stets beispielhaft zu verstehen.
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Neben der voranstehenden schriftlichen Offenbarung wird hiermit zur weiteren Offenbarung der Erfindung ergänzend auf die Darstellung in der 1 Bezug genommen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2692038 A1 [0004]
- US 2013/0076310 A1 [0005]