DE102020114701A1

DE102020114701A1 - Verfahren zum Betreiben einer Energiespeicheranordnung zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie sowie entsprechende Energiespeicheranordnung

Info

Publication number: DE102020114701A1
Application number: DE102020114701.5A
Authority: DE
Inventors: Stefan Pfaller; Michael Hinterberger; Rolf Naumann
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2020-06-03
Filing date: 2020-06-03
Publication date: 2021-12-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Energiespeicheranordnung (1) zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie, wobei die Energiespeicheranordnung (1) über mehrere zwischen zwei elektrischen Anschlüssen (8,9) elektrisch in Reihe geschaltete Batteriezellenmodule (2) verfügt, wobei jedes der Batteriezellenmodule (2) einen ersten elektrischen Pol (12), einen zweiten elektrischen Pol (13) sowie eine Batteriezelle (24) aufweist, wobei der erste elektrische Pol (12) und der zweite elektrische Pol (13) über die Batteriezelle (24) und einen mit der Batteriezelle in Reihe geschalteten ersten Schalter (25) sowie über einen elektrisch parallel zu der Batteriezelle (24) und dem ersten Schalter (25) geschalteten zweiten Schalter (26) elektrisch aneinander angeschlossen sind. Dabei ist vorgesehen, dass zwischen zwei der Batteriezellenmodule (2) ein Zwischenabgriff (14) an die Batteriezellenmodule (2) elektrisch angeschlossen ist und eine zwischen dem Zwischenabgriff (14) und einem ersten der Anschlüsse (8,9) anliegende elektrische Spannung durch getaktetes Betreiben der Schalter (25,26) der Batteriezellenmodule (2) auf einen Sollwert eingestellt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Energiespeicheranordnung (1) zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Energiespeicheranordnung zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie, die über mehrere zwischen zwei elektrischen Anschlüssen elektrisch in Reihe geschaltete Batteriezellenmodule verfügt, wobei jedes der Batteriezellenmodule einen ersten elektrischen Pol, einen zweiten elektrischen Pol sowie eine Batteriezelle aufweist, wobei der erste elektrische Pol und der zweite elektrische Pol über die Batteriezelle und eine mit der Batteriezelle in Reihe geschalteten ersten Schalter sowie über einen elektrisch parallel zu der Batteriezelle und dem ersten Schalter geschalteten zweiten Schalter elektrisch aneinander angeschlossen sind. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Energiespeicheranordnung.
Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise die Druckschrift DE 10 2011 054 145 A1 bekannt. Diese beschreibt eine Batteriezellen-Bypass-Schaltung, die insbesondere Anwendung beim Bypassen von Zellen in einer Hochvoltbatterie eines Fahrzeugs findet. Die Batterie beinhaltet eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen. Die Bypass-Schaltung beinhaltet einen ersten Schalter, der in Reihe mit einer oder mehreren Batteriezellen geschaltet ist, eine Bypass-Leitung, die elektrisch um die eine oder mehreren Batteriezellen verläuft und einen zweiten Schalter, der in der Bypass-Leitung geschaltet ist und parallel zu der einen oder den mehreren Batteriezellen geschaltet ist. Während eines normalen Zellenbetriebs ist der erste Schalter geschlossen und der zweite Schalter ist offen, sodass Strom durch die eine oder mehreren Batteriezellen fließt. Wenn eine oder mehrere Batteriezellen ausfallen oder ein Ausfall droht, ist der erste Schalter geöffnet und der zweite Schalter ist geschlossen, sodass Strom die eine oder mehreren Zellen bypasst und aus der Batterieschaltung entfernt.
Weiterhin offenbart die Druckschrift DE 10 2015 104 104 A1 ein System mit einer ersten Batterie, die konfiguriert ist zum Bestromen mindestens eines Fahrzeugteilsystems, und mit einer zweiten Batterie, die konfiguriert ist zum Bestromen eines Elektromotors, um ein Fahrzeug anzutreiben. Eine Verarbeitungseinrichtung ist konfiguriert zum Detektieren eines von der ersten Batterie an das mindestens eine Fahrzeugteilsystem gelieferten inadäquaten Leistungspegels und selektiven Partitionieren der zweiten Batterie, um das mindestens eine Fahrzeugteilsystem zu bestromen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Energiespeicheranordnung zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie vorzuschlagen, welches gegenüber bekannten Verfahren Vorteile aufweist, insbesondere eine flexible Versorgung eines Verbrauchers mit elektrischer Energie sicherstellt.
Dies wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren zum Betreiben einer Energiespeicheranordnung zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Dabei ist vorgesehen, dass zwischen zwei der Batteriezellenmodule ein Zwischenabgriff an die Batteriezellenmodule elektrisch angeschlossen ist und eine zwischen dem Zwischenabgriff und einem ersten der Anschlüsse anliegende elektrische Spannung durch getaktetes Betreiben der Schalter der Batteriezellenmodule auf einen Sollwert eingestellt wird.
Mit dem im Rahmen dieser Beschreibung erläuterten Verfahren wird die Energiespeicheranordnung betrieben. Das Verfahren wird beispielsweise mit Hilfe eines Steuergeräts durchgeführt, welches insbesondere Bestandteil der Energiespeicheranordnung ist. Die Energiespeicheranordnung dient zum Zwischenspeichern der elektrischen Energie. Sie ist beispielsweise Bestandteil eines Kraftfahrzeugs, kann jedoch auch separat von einem solchen vorliegen. Bevorzugt ist die Energiespeicheranordnung zur Versorgung einer Antriebseinrichtung des Kraftfahrzeugs mit elektrischem Strom vorgesehen und ausgebildet. Die Antriebseinrichtung dient dem Antreiben des Kraftfahrzeugs, also insoweit dem Bereitstellen eines auf das Antreiben des Kraftfahrzeugs gerichteten Antriebsdrehmoments. Zumindest zeitweise wird der Antriebseinrichtung zum Bereitstellen des Antriebsdrehmoments elektrische Energie aus der Energiespeicheranordnung zugeführt.
Bevorzugt ist die Energiespeicheranordnung eine Hochvolt-Energiespeicheranordnung. Das bedeutet, dass die Energiespeicheranordnung die elektrische Energie mit einer Quellenspannung bereitstellt, welche mindestens 100 V, mindestens 200 V, mindestens 400 V, mindestens 600 V oder mindestens 800 V beträgt. Das Bereitstellen der elektrischen Energie durch die Energiespeicheranordnung erfolgt über die beiden elektrischen Anschlüsse, welche Bestandteil der Energiespeicheranordnung sind.
Für die Zwischenspeicherung der elektrischen Energie verfügt die Energiespeicheranordnung über mehrere Batteriezellenmodule. Diese sind elektrisch in Reihe geschaltet und verbinden die beiden Anschlüsse elektrisch miteinander. Insoweit bilden die Batteriezellenmodule gemeinsam einen Batteriezellenmodulstrang, über den die beiden Anschlüsse elektrisch aneinander angeschlossen sind. Die Batteriezellenmodule verfügen jeweils über jeweils eine Batteriezelle, in welcher die elektrische Energie schlussendlich zwischengespeichert wird. Das bedeutet, dass die Batteriezelle zumindest zeitweise mit elektrischer Energie aufgeladen wird und dass ihr zumindest zeitweise elektrische Energie entnommen wird, um sie an den beiden Anschlüssen zur Verfügung zu stellen.
Die Batteriezellenmodule sind als „Smart Cell“-Module ausgestaltet. Entsprechend weist jedes der Batteriezellenmodule zusätzlich zu der jeweiligen Batteriezelle einen ersten Schalter sowie einen zweiten Schalter auf. Über die Batteriezelle, den ersten Schalter sowie den zweiten Schalter sind der erste elektrische Pol und der zweite elektrische Pol des jeweiligen Batteriezellenmoduls elektrisch aneinander angeschlossen. Konkret sind die beiden Pole sowohl über eine die Batteriezelle und den ersten Schalter umfassende Reihenschaltung als auch über den zweiten Schalter elektrisch aneinander angeschlossen. Beispielsweise liegt hierbei der erste Schalter elektrisch zwischen dem ersten Pol und der Batteriezelle vor. Alternativ er kann jedoch auch zwischen der Batteriezelle und dem zweiten Pol angeordnet sein. Wichtig ist hierbei in jedem Fall, dass die Batteriezelle bei geöffnetem erstem Schalter von einem der Pole, also entweder dem ersten Pol oder dem zweiten Pol, elektrisch entkoppelt ist, also nicht über den ersten Schalter mit ihm verbunden ist.
Mithilfe des zweiten Schalters kann die Batteriezelle überbrückt werden. Hierzu sind die beiden Pole bei geschlossenem zweitem Schalter unter Umgehung der Batteriezelle elektrisch miteinander verbunden. Zu beachten ist hierbei, dass der zweite Schalter parallel zu der Reihenschaltung aus Batteriezelle und erstem Schalter elektrisch geschaltet ist. Bei einer solchen Ausgestaltung kann durch Öffnen des ersten Schalters sichergestellt werden, dass bei geschlossenem zweitem Schalter kein Kurzschließen der Batteriezelle erfolgt.
Die Batteriezellenmodule sind unter Ausbildung des Batteriezellenmodulstrangs miteinander in Reihe geschaltet. Das bedeutet, dass jedes der Batteriezellenmodule mit seinem ersten elektrischen Pol entweder an einen ersten der elektrischen Anschlüsse oder an den zweiten elektrischen Pol eines nachfolgenden der Batteriezellenmodule elektrisch angeschlossen und der zweite elektrische Pol entweder an einen zweiten der elektrischen Anschlüsse oder an den ersten elektrischen Pol eines vorhergehenden der Batteriezellenmodule elektrisch angeschlossen ist.
Konkret bedeutet dies zum Beispiel, dass ein erstes der Batteriezellenmodule mit seinem ersten elektrischen Pol an den ersten elektrischen Anschluss und mit seinem zweiten elektrischen Pol an den ersten elektrischen Pol eines weiteren der Batteriezellenmodule elektrisch angeschlossen ist. Ein letztes der Batteriezellenmodule ist mit seinem ersten elektrischen Pol an den zweiten elektrischen Pol des wenigstens einen weiteren Batteriezellenmoduls und mit seinem zweiten elektrischen Pol an den zweiten elektrischen Anschluss elektrisch angeschlossen. Es kann hierbei eine beliebige Anzahl an weiteren Batteriezellenmodulen vorliegen, welche elektrisch in Reihe zwischen dem ersten Batteriezellenmodul und dem letzten Batteriezellenmodul vorliegen.
Die beschriebene Ausgestaltung der Energiespeicheranordnung und insbesondere der Batteriezellenmodule hat den Vorteil, dass ein äußerst flexibles Verschalten der Batteriezellenmodule möglich ist. Beispielsweise wird bei einem Defekt eines der Batteriezellenmodule dieses unter Verwendung der Schalter überbrückt, sodass das Batteriezellenmodul nachfolgend nicht mehr zur Zwischenspeicherung der elektrischen Energie verwendet wird, jedoch auch den Betrieb der Energiespeicheranordnung nicht beeinträchtigt. An die elektrischen Anschlüsse der Energiespeicheranordnung ist beispielsweise ein Verbraucher elektrisch angeschlossen. Dieser Verbraucher wird zumindest zeitweise mit der in der Energiespeicheranordnung zwischengespeicherten elektrischen Energie betrieben. Der Verbraucher kann beispielsweise die bereits erwähnte Antriebseinrichtung sein.
Um zusätzlich zu dem Verbraucher einen weiteren Verbraucher mithilfe der zwischengespeicherten elektrischen Energie betreiben zu können, weist die Energiespeicheranordnung den Zwischenabgriff auf. Der Zwischenabgriff ist derart an die Batteriezellenmodule elektrisch angeschlossen, dass zwischen dem Zwischenabgriff und dem ersten Anschluss eine Quellenspannung vorliegt, welche kleiner ist als die zwischen den beiden elektrischen Anschlüssen vorliegende Quellenspannung.
Beispielsweise ist jedem der Batteriezellenmodule eine Quellenspannung zugeordnet, wobei die Quellenspannungen der Batteriezellenmodule idealerweise gleich oder zumindest ähnlich sind. Beispielsweise weichen die Quellenspannungen der Batteriezellenmodule bei gleichem Ladestand um höchstens 25 %, höchstens 20 %, höchstens 15 % oder höchstens 10 % voneinander ab.
Die Summe der Quellenspannungen der zwischen dem Zwischenabgriff und dem ersten Anschluss angeordneten Batteriezellenmodule ergibt die zwischen dem Zwischenabgriff und dem ersten Anschluss vorliegende Quellenspannung. Diese soll kleiner sein als die Quellenspannung der Energiespeicheranordnung zwischen den beiden Anschlüssen. Beispielsweise beträgt die Quellenspannung zwischen dem Zwischenabgriff und dem ersten Anschluss weniger als 100 V, beispielsweise höchstens 60 V, höchstens 48 V, höchstens 36 V, höchstens 24 V oder höchstens 12 V.
Um eine noch höhere Flexibilität bei dem Einstellen der elektrischen Spannung zu erzielen, welche zwischen dem Zwischenabgriff und dem ersten Anschluss vorliegt, sollen die Schalter der Batteriezellenmodule getaktet betrieben werden. Hierunter ist zu verstehen, dass wenigstens ein Schalter zumindest eines Batteriezellenmoduls periodisch geöffnet und geschlossen wird. In anderen Worten werden genau ein einziger der Schalter oder mehrere der Schalter periodisch geöffnet und geschlossen. Hierdurch wird die zwischen dem Zwischenabgriff und dem ersten Anschluss anliegende Spannung ausgehend von der Summe der Quellenspannungen verringert. Entsprechend ist an dem Zwischenabgriff eine Spannung darstellbar, welche grundsätzlich zwischen 0 V und der Summe der Quellenspannungen frei wählbar ist.
Das getaktete Betreiben der Schalter erfolgt insbesondere derart, dass das Batteriezellenmodul zwischen zwei Schaltzuständen periodisch umgeschaltet wird. In einem ersten der Schaltzustände ist der erste Schalter geschlossen und der zweite Schalter geöffnet. In einer zweiten Schaltstellung ist der erste Schalter geöffnet und der zweite Schalter geschlossen. Das Umschalten zwischen der ersten Schalteinstellung und der zweiten Schalteinstellung erfolgt hierbei derart, dass kein Kurzschluss der entsprechenden Batteriezelle auftritt. Vor einem Schließen des zweiten Schalters wird insoweit sichergestellt, dass der erste Schalter geöffnet ist und umgekehrt. Beispielsweise wird hierbei eine Totzeit vorgegeben, welche zwischen dem Öffnen des ersten Schalters und dem Schließen des zweiten Schalters beziehungsweise zwischen dem Öffnen des zweiten Schalters und dem Schließen des ersten Schalters abgewartet wird.
Die beschriebene Vorgehensweise zum Betreiben der Energiespeicheranordnung hat den Vorteil, dass zum einen über die elektrischen Anschlüsse eine höhere Quellenspannung und über den Zwischenabgriff und den ersten Anschluss eine niedrigere weitere Quellenspannung zur Verfügung gestellt wird, wobei letztere durch das getaktete Betreiben der Schalter der Batteriezellenmodule einstellbar ist beziehungsweise auf den Sollwert eingestellt wird. Mit dem Sollwert wird insoweit die gewünschte Quellenspannung vorgegeben. Das getaktete Betreiben der Schalter erfolgt beispielsweise unter Anwendung einer Pulsweitenmodulation. Diese ist einfach umsetzbar und ermöglicht ein äußerst flexibles Einstellen der elektrischen Spannung.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass jedes der Batteriezellenmodule eine Quellenspannung aufweist und der Zwischenabgriff derart an die Batteriezellenmodule angeschlossen wird, dass eine Summe der Quellenspannungen der zwischen dem Zwischenabgriff und dem ersten Anschluss vorliegenden Batteriezellenmodule größer ist als der Sollwert. Dies ermöglicht ein genaues Einstellen der zwischen dem Zwischenabgriff und dem ersten Anschluss vorliegenden elektrischen Spannung ausgehend von der Summe der Quellenspannungen. Besonders bevorzugt werden mehr Batteriezellenmodule verwendet, als zum Bereitstellen des Sollwerts notwendig.
Auf diese Art und Weise kann eine hohe Ausfallsicherheit bewerkstelligt werden, da auch ein Ausfall eines oder mehrerer der Batteriezellenmodule zwischen dem Zwischenabgriff und dem ersten Anschluss kompensiert werden kann. Beispielsweise werden mindestens 10 %, mindestens 20 %, mindestens 25 % oder mindestens 50 % mehr Batteriezellenmodule verwendet, als zum Erzielen des Sollwerts notwendig. Dies stellt die vorstehend beschriebene hohe Ausfallsicherheit sicher und ermöglicht auch ein Kompensieren eines Absinkens der Quellenspannungen der einzelnen Batteriezellenmodule.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Batteriezellenmodule Teil eines Batteriezellenmodulstrangs sind, der durch Ansteuern der Schalter elektrisch von einem zweiten der Anschlüsse separiert wird. Bei einer derartigen Vorgehensweise ist es also vorgesehen, den Batteriezellenstrang beziehungsweise die Batteriezellenmodule, an welche der Zwischenabgriff angeschlossen ist, von dem zweiten Anschluss elektrisch zu separieren. Das bedeutet, dass der Batteriezellenmodulstrang zumindest zeitweise allein zum Bereitstellen der elektrischen Spannung zwischen dem Zwischenabgriff und dem ersten Anschluss verwendet wird und die Spannung zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss gleich Null ist.
Eine solche Vorgehensweise ist insbesondere dann sinnvoll, wenn mehrere Batteriezellenstränge an die elektrischen Anschlüsse elektrisch angeschlossen sind. Beispielsweise liegt zusätzlich zu dem Batteriezellenstrang wenigstens ein weiterer Batteriezellenstrang vor, welcher ebenfalls elektrisch an die beiden Anschlüsse angeschlossen ist. Mit dem Batteriezellenstrang kann nachfolgend die Spannung zwischen dem Zwischenabgriff und dem ersten Anschluss und mittels des weiteren Batteriezellenstrangs die Spannung zwischen den beiden elektrischen Anschlüssen bereitgestellt werden. Durch das Entkoppeln des Batteriezellenstrangs von dem zweiten Anschluss ist ein besonders deutliches Anpassen der elektrischen Spannung durch das getaktete Betreiben der Schalter der Batteriezellenmodule möglich. Insbesondere wird eine Beeinträchtigung der zwischen den beiden elektrischen Anschlüssen vorliegenden Spannung verhindert.
Zusätzlich oder alternativ kann es vorgesehen sein, die Spannung des wenigstens einen zusätzlichen Batteriezellenstrangs, insbesondere der mehreren weiteren Batteriezellenstränge, an die Spannung des Batteriezellenstrangs anzugleichen. Der oder die weiteren Batteriezellenstränge werden insoweit beispielsweise derart betrieben, dass die zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss die gleiche Spannung aufweisen wie der Batteriezellenstrang. Dies wird insbesondere durch getaktetes Betreiben der Batteriezellen des oder der weiteren Batteriezellenstränge erzielt. Hierdurch wird ein Ausgleichstrom verhindert, welcher bei unterschiedlichen Spannungen der Batteriezellenstränge, also des Batteriezellenstrangs und des oder der weiteren Batteriezellenstränge, ansonsten zwischen den Batteriezellensträngen fließen würde.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die elektrisch zwischen dem Zwischenabgriff und dem ersten Anschluss vorliegenden Batteriezellenmodule eine Batteriezellenmodulgruppe bilden und wenigstens ein Batteriezellenmodul der Batteriezellenmodulgruppe zumindest zeitweise vollständig mittels der Schalter überbrückt wird, während ein anderes Batteriezellenmodul der Batteriezellenmodulgruppe zum Bereitstellen der elektrischen Spannung mit dem Sollwert verwendet wird. Das Überbrücken des Batteriezellenmoduls erfolgt durch entsprechendes Einstellen der Schalter, also dem Öffnen des ersten Schalters und dem Schließen des zweiten Schalters. Das wenigstens eine andere Batteriezellenmodul wird hingegen zum Bereitstellen der elektrischen Spannung verwendet, insbesondere werden hierzu die entsprechenden Schalter getaktet betrieben, um den Sollwert einzustellen.
Die Batteriezellenmodulgruppe umfasst insoweit bevorzugt mehr Batteriezellenmodule als zum Bereitstellen der dem Sollwert entsprechenden Spannung notwendig sind. Dies ermöglicht das Überbrücken des Batteriezellenmoduls der Batteriezellenmodulgruppe, beispielsweise um dieses aufgrund eines Defekts zu deaktivieren oder um es zu schonen. Hierdurch kann ein besonders zuverlässiges Bereitstellen der Spannung zwischen dem Zwischenabgriff und dem ersten Anschluss erzielt werden.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das wenigstens eine Batteriezellenmodul der Batteriezellenmodulgruppe aus den Batteriezellenmodulen der Batteriezellenmodulgruppe durchwechselnd ausgewählt wird. Hierdurch ist beispielsweise ein rotierender Betrieb der Batteriezellenmodule innerhalb der Batteriezellenmodulgruppe realisiert. Beispielsweise wechselt die Zusammensetzung der Batteriezellenmodule der Batteriezellenmodulgruppe, mittels welchen die elektrische Spannung zwischen dem Zwischenabgriff und dem ersten Anschluss bereitgestellt wird, periodisch. Das bedeutet, dass das wenigstens eine Batteriezellenmodul lediglich zeitweise überbrückt wird und nach Verstreichen einer bestimmten Zeitspanne wieder zum Bereitstellen der elektrischen Spannung herangezogen wird, wohingegen ein anderes der Batteriezellenmodule der Batteriezellenmodulgruppe überbrückt wird.
Da den Batteriezellenmodulen der Batteriezellenmodulgruppe sowohl über die Anschlüsse als auch über den Zwischenabgriff elektrische Energie entnommen werden kann, ist die Stromstärke des durch sie fließenden elektrischen Stroms größer als die Stromstärke des elektrischen Stroms, welcher die Batteriezellenmodule abseits der Batteriezellenmodulgruppe durchfließt. Entsprechend ist der Verschleiß der Batteriezellenmodule der Batteriezellenmodulgruppe größer. Durch das durchwechselnde Auswählen des überbrückten Batteriezellenmoduls kann der Verschleiß reduziert und die Lebensdauer der Energiespeicheranordnung beziehungsweise der einzelnen Batteriezellenmodule deutlich verbessert werden.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zwischen dem Zwischenabgriff und einem elektrisch an den Zwischenabgriff angeschlossenen Zwischenabgriffanschluss eine Potentialtrennung durchgeführt wird. Dies ist insbesondere von Bedeutung, falls an dem Zwischenabgriffanschluss ein ASIL-relevantes Stromnetz angeschlossen ist. Für ein solches sind besondere Sicherheitsanforderungen zu erfüllen. Die Potentialtrennung kann grundsätzlich auf beliebige Art und Weise durchgeführt werden, beispielsweise erfolgt sie mittels eines DC/DC-Konverters, insbesondere einen Trenntransformator und/oder ein Halbleiterbauteil aufweisend. In jedem Fall ist der Zwischenabgriffanschluss galvanisch von dem Zwischenabgriff getrennt, wodurch auch hohe Sicherheitsanforderungen erfüllt werden können.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass elektrisch zwischen dem Zwischenabgriff und dem Zwischenabgriffanschluss wenigstens ein zusätzliches Batteriezellenmodul angeschlossen ist. Über das zusätzliche Batteriezellenmodul ist insoweit der Zwischenabgriff an den Zwischenabgriffanschluss elektrisch angeschlossen. Bevorzugt sind zwischen dem Zwischenabgriff und dem Zwischenabgriffanschluss mehrere derartiger zusätzlicher Batteriezellenmodule elektrisch in Reihe geschaltet. Das zusätzliche Batteriezellenmodul beziehungsweise die zusätzlichen Batteriezellenmodule sind analog zu den Batteriezellenmodulen ausgestaltet und insoweit taktbar. Beispielsweise werden die zusätzlichen Module zusätzlich oder alternativ zu den Batteriezellenmodulen getaktet betrieben, um die zwischen dem Zwischenabgriffanschluss und dem ersten der Anschlüsse vorliegende Spannung auf den Sollwert einzustellen.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zwischen den elektrischen Anschlüssen elektrisch in Reihe geschaltete weitere Batteriezellenmodule einen weiteren Batteriezellenmodulstrang bilden, wobei zwischen zwei der weiteren Batteriezellenmodule ein weiterer Zwischenabgriff an die weiteren Batteriezellenmodule elektrisch angeschlossen ist und eine zwischen dem weiteren Zwischenabgriff und einem der Anschlüsse in die anliegende elektrische Spannung durchgetaktetes Betreiben der Schalter der weiteren Batteriezellenmodule auf einen weiteren Sollwert eingestellt wird. Zusätzlich zu den Batteriezellenmodulen liegen also die weiteren Batteriezellenmodule vor.
Die weiteren Batteriezellenmodule sind vorzugsweise analog zu den Batteriezellenmodulen ausgestaltet, sodass auf die entsprechenden Ausführungen hingewiesen wird. Auch die weiteren Batteriezellenmodule sind elektrisch in Reihe geschaltet, nämlich zwischen den beiden elektrischen Anschlüssen. An die weiteren Batteriezellenmodule ist der weitere Zwischenabgriff angeschlossen, welcher beispielsweise elektrisch mit einem weiteren Zwischenabgriffanschluss verbunden ist. Zwischen dem weiteren Zwischenabgriff und dem weiteren Zwischenabgriffanschluss wird bevorzugt ebenfalls eine Potentialtrennung vorgenommen.
Die Verwendung der mehreren Batteriezellenmodule ermöglicht einen besonders flexiblen Betrieb der Energiespeicheranordnung, da beispielsweise der Batteriezellenmodulstrang von dem zweiten Anschluss elektrisch entkoppelt werden kann und lediglich zum Bereitstellen der elektrischen Spannung zwischen dem Zwischenabgriff und dem ersten Anschluss Verwendung findet, wohingegen die elektrische Spannung zwischen den beiden elektrischen Anschlüssen mithilfe des weiteren Batteriezellenmoduls vorgenommen wird. Selbstverständlich kann eine beliebige Anzahl an derartigen weiteren Batteriezellenmodulen vorliegen, insbesondere mindestens zwei oder mehr weitere Batteriezellenmodule.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass eine elektrische Einrichtung an den Zwischenabgriff und den weiteren Zwischenabgriff elektrisch angeschlossen ist und elektrisch zeitweise mit dem Zwischenabgriff verbunden und von dem weiteren Zwischenabgriff getrennt und zeitweise von dem Zwischenabgriff getrennt und mit dem weiteren Zwischenabgriff verbunden wird. Das bedeutet, dass die elektrische Einrichtung zeitweise über den Zwischenabgriff und zeitweise über den weiteren Zwischenabgriff mit elektrischer Energie aus den Batteriezellenmodulen beziehungsweise den weiteren Batteriezellenmodulen mit elektrischer Energie versorgt wird. Hierdurch ist eine redundante Energieversorgung der elektrischen Einrichtung realisiert, sodass ein zuverlässiger Betrieb der elektrischen Einrichtung sichergestellt ist.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass über den Zwischenabgriff die elektrische Einrichtung und über den weiteren Zwischenabgriff eine weitere elektrische Einrichtung mit elektrischer Energie versorgt wird. In anderen Worten dienen die Batteriezellenmodule und die weiteren Batteriezellenmodule dem Betreiben mehrerer elektrischer Einrichtungen, nämlich der elektrischen Einrichtung und der weiteren elektrischen Einrichtung. Hierdurch können die elektrischen Einrichtungen unabhängig voneinander mit elektrischer Energie versorgt und auch unabhängig voneinander durch entsprechendes Einstellen der Schalter der Batteriezellenmodule beziehungsweise der weiteren Batteriezellenmodule eingeschaltet und ausgeschaltet werden. Hierdurch ist eine hohe Betriebssicherheit der Energiespeicheranordnung gewährleistet.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Energiespeicheranordnung zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Ausführungen im Rahmen dieser Beschreibung, wobei die Energiespeicheranordnung über mehrere zwischen zwei elektrischen Anschlüssen elektrisch in Reihe geschaltete Batteriezellenmodule verfügt und jedes der Batteriezellenmodule einen ersten elektrischen Pol, einen zweiten elektrischen Pol sowie eine Batteriezelle aufweist, wobei der erste elektrische Pol und der zweite elektrische Pol über die Batteriezelle und einen mit der Batteriezelle in Reihe geschalteten ersten Schalter sowie über einen elektrisch parallel zu der Batteriezelle und dem ersten Schalter geschalteten zweiten Schalter elektrisch aneinander angeschlossen sind.
Dabei ist vorgesehen, dass zwischen zwei der Batteriezellenmodule ein Zwischenabgriff an die Batteriezellenmodule elektrisch angeschlossen ist und die Energiespeicheranordnung dazu vorgesehen und ausgebildet ist, eine zwischen dem Zwischenabgriff und an dem ersten der Anschlüsse anliegende elektrische Spannung durch getaktetes Betreiben der Schalter der Batteriezellenmodule auf einen Sollwert einzustellen.
Auf die Vorteile einer derartigen Ausgestaltung der Energiespeicheranordnung beziehungsweise einer derartigen Vorgehensweise wurde bereits hingewiesen. Sowohl die Energiespeicheranordnung als auch das Verfahren zu ihrem Betreiben können gemäß den Ausführungen im Rahmen dieser Beschreibung weitergebildet sein, sodass insoweit auf diese verwiesen wird. Zum Durchführen des erläuterten Verfahrens dient insbesondere das bereits erwähnte Steuergerät. Das Steuergerät kann Bestandteil der Energiespeicheranordnung sein. Es kann jedoch auch separat von dieser vorliegen. Beispielsweise ist das Steuergerät elektrisch mit der Energiespeicheranordnung verbunden.
Selbstverständlich betrifft die Erfindung auch eine Anordnung, welche die Energiespeicheranordnung und wenigstens eine elektrische Einrichtung aufweist, welche an den Zwischenabgriff elektrisch angeschlossen ist. Zusätzlich zu der elektrischen Einrichtung kann die weitere elektrische Einrichtung vorliegen, die an den optional vorhandenen weiteren Zwischenabgriff elektrisch angeschlossen ist. Zu den Vorteilen und möglichen vorteilhaften Weiterbildungen wird erneut auf die Ausführungen im Rahmen dieser Beschreibung verwiesen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer Energiespeicheranordnung mit einer Vielzahl von Batteriezellenmodulen, sowie
2 eine schematische Darstellung eines der Batteriezellenmodule.

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Energiespeicheranordnung zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie. Die Energiespeicheranordnung 1 weist eine Vielzahl von Batteriezellenmodulen 2 auf, welche gemeinsam einen Batteriezellenmodulstrang 3 bilden. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind zusätzlich zu den Batteriezellenmodulen 2 weitere Batteriezellenmodule 4 und 5 vorgesehen, wobei die Batteriezellenmodule 4 einen weiteren Batteriezellenmodulstrang 6 und die Batteriezellenmodule 5 noch einen weiteren Batteriezellenmodulstrang 7 bilden.
Die Batteriezellenmodule 2 sind elektrisch in Reihe geschaltet. Dies gilt ebenso für die Batteriezellenmodule 4 beziehungsweise 5. Endseitig sind die Batteriezellenmodule 2, 4 und 5 jeweils an elektrische Anschlüsse 8 und 9 der Energiespeicheranordnung 1 elektrisch angeschlossen. Zwischen dem Anschluss 8 und den Batteriezellenmodulen 2, 4 und 5 kann ein Schalter 10 vorliegen, zwischen dem Anschluss 9 und den Batteriezellenmodulen 2, 4 und 5 eine Sicherung 11, insbesondere eine Schmelzsicherung.
Jedes der Batteriezellenmodule 2, 4 und 5 verfügt über einen ersten Pol 12 und einen zweiten Pol 13. Über die Pole 12 und 13 sind die Batteriezellenmodule 2 elektrisch aneinander angeschlossen. Dies gilt ebenso für die Batteriezellenmodule 4 beziehungsweise 5. Zwischen zwei der Batteriezellenmodule 2 ist ein Zwischenabgriff 14 an die Batteriezellenmodule 2 elektrisch angeschlossen. Weitere Zwischenabgriffe 15 und 16 sind elektrisch zwischen den Batteriezellenmodulen 4 beziehungsweise 5 an diese angeschlossen.
Die Zwischenabgriffe 14, 15 und 16 sind jeweils über einen Schalter 17, 18 beziehungsweise 19 an einen Zwischenabgriffanschluss 20, 21 beziehungsweise 22 angeschlossen. Zusätzlich kann zwischen dem Zwischenabgriff 14 und dem Zwischenabgriffanschluss 20 eine Potentialtrennung vorliegen. Dies kann zusätzlich oder alternativ auch zwischen dem Zwischenabgriff 15 und dem Zwischenabgriffanschluss 21 und/oder dem Zwischenabgriff 16 und dem Zwischenabgriffanschluss 22 der Fall sein.
Diejenigen der Batteriezellenmodule 2, über welche der Zwischenabgriff 14 an den Anschluss 9 elektrisch angeschlossen ist, bilden eine Batteriezellenmodulgruppe 23. Es kann vorgesehen sein, wenigstens ein Batteriezellenmodul 2 aus dieser Batteriezellenmodulgruppe 23 zumindest zeitweise vollständig zu überbrücken und eine zwischen dem Zwischenabgriff 14 und dem Anschluss 9 vorliegende Spannung allein mit den verbleibenden Batteriezellenmodulen 2 der Batteriezellenmodulgruppe 23 bereitzustellen. Es kann zudem vorgesehen sein, das überbrückte Batteriezellenmodul 2 abwechselnd aus den Batteriezellenmodulen 2 der Batteriezellenmodulgruppe 23 auszuwählen. Hierdurch wird eine lange Lebensdauer der Batteriezellenmodule 2 erzielt.
Eine Quellenspannung jedes der Batteriezellenmodule 2, 4 und 5 beträgt beispielsweise mindestens 2 V und höchstens 6 V, mindestens 3 V und höchstens 5 V, mindestens 3,5 V und höchstens 4,5 V oder in etwa oder genau 4 V. Der Batteriezellenmodulstrang 3 verfügt beispielsweise über mindestens 100 Batteriezellenmodule 2, bevorzugt jedoch über mindestens 150 oder mindestens 200 Batteriezellenmodule 2. Hierdurch wird eine hinreichend hohe Quellenspannung zwischen den Anschlüssen 8 und 9 sichergestellt.
Die 2 zeigt eine schematische Darstellung eines der Batteriezellenmodule 2, 4 beziehungsweise 5. Zwischen den beiden Polen 12 und 13 ist eine Batteriezelle 24 elektrisch angeschlossen. Die Batteriezelle 24 liegt in einer Reihenschaltung mit einem ersten Schalter 25 vor. Parallel zu der Reihenschaltung aus Batteriezelle 24 und erstem Schalter 25 liegt ein zweiter Schalter 26 vor. Insgesamt sind also die beiden Pole 12 und 13 einerseits über die Batteriezelle 24 und den ersten Schalter 25 und andererseits über den zweiten Schalter 26 elektrisch aneinander angeschlossen. Über den zweiten Schalter 26 sind die beiden Pole 12 und 13 unter Umgehung der Batteriezelle 24 und des ersten Schalters 25 unmittelbar miteinander verbindbar. Mithilfe des zweiten Schalters 26 sind insoweit die Batteriezelle 24 und der erste Schalter 25 überbrückbar. Eine derartige Ausgestaltung der Batteriezellenmodule 2, 4 beziehungsweise 5 ermöglicht einen äußerst flexiblen Betrieb der Energiespeicheranordnung 1.
Insgesamt hat die beschriebene Energiespeicheranordnung 1 den Vorteil, dass zum einen eine äußerst flexible Verschaltung der Batteriezellenmodule 2, 4 und 5 erfolgen kann, wobei beispielsweise defekte Zellenmodule 2, 4 beziehungsweise 5 außer Betrieb genommen werden, ohne andere der Batteriezellenmodule 2, 4 und 5 zu beeinträchtigen. Auch ermöglicht die beschriebene Ausgestaltung das getaktete Betreiben der Schalter 25 und 26 zum Einstellen der Quellenspannung zwischen den Zwischenabgriffen 14, 15 und 16 einerseits und dem Anschluss 9 andererseits. Beispielsweise ist an den Zwischenabgriffanschluss 20 ein erstes Stromnetz angeschlossen, beispielsweise ein QM-Netz.
An den Zwischenabgriffanschluss 21 kann hingegen ein weiteres Stromnetz angeschlossen sein, beispielsweise ein sicherheitsrelevantes Bordnetz eines Kraftfahrzeugs. Dieses Stromnetz dient beispielsweise der Versorgung eines Bremssystems und/oder eines Lenksystems mit elektrischer Energie. Der Zwischenabgriffanschluss 22 kann zur Versorgung eines zusätzlichen Stromnetzes mit elektrischer Energie dienen, wobei dieses Stromnetz beispielsweise dem Realisieren eines autonomen Fahrbetriebs, insbesondere eines vollautonomen Fahrbetriebs, des Kraftfahrzeugs dient.
Bezugszeichenliste

1: Energiespeicheranordnung
2: Batteriezellenmodul
3: Batteriezellenmodulstrang
4: Batteriezellenmodul
5: Batteriezellenmodul
6: Batteriezellenmodulstrang
7: Batteriezellenmodulstrang
8: Anschluss
9: Anschluss
10: Schalter
11: Sicherung
12: 1. Pol
13: 2. Pol
14: Zwischenabgriff
15: Zwischenabgriff
16: Zwischenabgriff
17: Schalter
18: Schalter
19: Schalter
20: Zwischenabgriffanschluss
21: Zwischenabgriffanschluss
22: Zwischenabgriffanschluss
23: Batteriezellenmodulgruppe
24: Batteriezelle
25: 1. Schalter
26: 2. Schalter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011054145 A1 [0002]
DE 102015104104 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Energiespeicheranordnung (1) zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie, wobei die Energiespeicheranordnung (1) über mehrere zwischen zwei elektrischen Anschlüssen (8, 9) elektrisch in Reihe geschaltete Batteriezellenmodule (2) verfügt, wobei jedes der Batteriezellenmodule (2) einen ersten elektrischen Pol (12), einen zweiten elektrischen Pol (13) sowie eine Batteriezelle (24) aufweist, wobei der erste elektrische Pol (12) und der zweite elektrische Pol (13) über die Batteriezelle (24) und einen mit der Batteriezelle in Reihe geschalteten ersten Schalter (25) sowie über einen elektrisch parallel zu der Batteriezelle (24) und dem ersten Schalter (25) geschalteten zweiten Schalter (26) elektrisch aneinander angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei der Batteriezellenmodule (2) ein Zwischenabgriff (14) an die Batteriezellenmodule (2) elektrisch angeschlossen ist und eine zwischen dem Zwischenabgriff (14) und einem ersten der Anschlüsse (8, 9) anliegende elektrische Spannung durch getaktetes Betreiben der Schalter (25, 26) der Batteriezellenmodule (2) auf einen Sollwert eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Batteriezellenmodule (2) eine Quellenspannung aufweist und der Zwischenabgriff (14) derart an die Batteriezellenmodule (2) angeschlossen ist, dass eine Summe der Quellenspannungen der zwischen dem Zwischenabgriff (14) und dem ersten Anschluss (8, 9) vorliegenden Batteriezellenmodule (2) größer ist als der Sollwert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellenmodule (2) Teil eines Batteriezellenmodulstrangs (3) sind, der durch Ansteuern der Schalter (25, 26) elektrisch von einem zweiten der Anschlüsse (8, 9) separiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch zwischen dem Zwischenabgriff (14) und dem ersten Anschluss (8, 9) vorliegenden Batteriezellenmodule (2) eine Batteriezellenmodulgruppe (23) bilden und wenigstens ein Batteriezellenmodul (2) der Batteriezellenmodulgruppe (23) zumindest zeitweise vollständig mittels der Schalter (25, 26) überbrückt wird, während ein anderes Batteriezellenmodul (2) der Batteriezellenmodulgruppe (23) zum Bereitstellen der elektrischen Spannung mit dem Sollwert verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Batteriezellenmodul (2) der Batteriezellenmodulgruppe (23) aus den Batteriezellenmodulen (2) der Batteriezellenmodulgruppe (23) durchwechselnd ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Zwischenabgriff (14) und einem elektrisch an den Zwischenabgriff (14) angeschlossenen Zwischenabgriffanschluss (20) eine Potentialtrennung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den elektrischen Anschlüssen (8, 9) elektrisch in Reihe geschaltete weitere Batteriezellenmodule (4, 5) einen weiteren Batteriezellenmodulstrang (6, 7) bilden, wobei zwischen zwei der weiteren Batteriezellenmodule (4, 5) ein weiterer Zwischenabgriff (15, 16) an die weiteren Batteriezellenmodule (4, 5) elektrisch angeschlossen ist und eine zwischen dem weiteren Zwischenabgriff (14, 15) und einem der Anschlüsse (8, 9) anliegende elektrische Spannung durch getaktetes Betreiben der Schalter (25, 26) der weiteren Batteriezellenmodule (4, 5) auf einen weiteren Sollwert eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Einrichtung an den Zwischenabgriff (14) und den weiteren Zwischenabgriff (15) elektrisch angeschlossen ist und elektrisch zeitweise mit dem Zwischenabgriff (14) verbunden und von dem weiteren Zwischenabgriff (15) getrennt und zeitweise von dem Zwischenabgriff (14) getrennt und mit dem weiteren Zwischenabgriff (15) verbunden wird. [15, 16]
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über den Zwischenabgriff (14) die elektrische Einrichtung und über den weiteren Zwischenabgriff (15, 16) eine weitere elektrische Einrichtung mit elektrischer Energie versorgt werden.
Energiespeicheranordnung (1) zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Energiespeicheranordnung (1) über mehrere zwischen zwei elektrischen Anschlüssen (8,9) elektrisch in Reihe geschaltete Batteriezellenmodule (2) verfügt und jedes der Batteriezellenmodule (2) einen ersten elektrischen Pol (12), einen zweiten elektrischen Pol (13) sowie eine Batteriezelle (24) aufweist, wobei der erste elektrische Pol (12) und der zweite elektrische Pol (13) über die Batteriezelle (24) und einen mit der Batteriezelle (24) in Reihe geschalteten ersten Schalter (25) sowie einen über einen elektrisch parallel zu der Batteriezelle (24) und dem ersten Schalter (25) geschalteten zweiten Schalter (26) elektrisch aneinander angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei der Batteriezellenmodule (2) ein Zwischenabgriff (14) an die Batteriezellenmodule (2) elektrisch angeschlossen ist und die Energiespeicheranordnung (1) dazu vorgesehen und ausgebildet ist, eine zwischen dem Zwischenabgriff (14) und einem ersten der Anschlüsse (8,9) anliegende elektrische Spannung durch getaktetes Betreiben der Schalter (25,26) der Batteriezellenmodule (2) auf einen Sollwert einzustellen.