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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie und Energiesystem aufweisend eine solche Batterie.
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Aus dem Stand der Technik sind Batterien bekannt, welche beispielsweise mittels eines zentralen Batteriemanagementsystems und geeigneter Sensoren Zustände der Batterien bzw. ihrer Batteriezellen überwachen. Hierbei werden beispielsweise Spannungen, Ströme, Drücke und Temperaturen der Batterie überwacht.
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Solche Überwachungen erfolgen im Stand der Technik in der Regel bezogen auf eine Gesamtheit und/oder eine größere Gruppierung (Module) miteinander fest verschalteter Batteriezellen der Batterie.
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Weiter sind aus dem Stand der Technik Energiesysteme bekannt, welche aus mehreren elektrischen Energiespeichern für unterschiedliche Spannungsebenen und mit diesen jeweils korrespondierenden elektrischen Verbrauchern bestehen.
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Offenbarung der Erfindung
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Batterie vorgeschlagen, die wenigstens eine erste Batteriezellenanordnung, eine zweite Batteriezellenanordnung und wenigstens eine Auswerteeinheit aufweist. Die erfindungsgemäße Batterie ist grundsätzlich eine in beliebigen Anwendungsbereichen einsetzbare Batterie. Besonders vorteilhaft ist diese beispielsweise als Traktionsbatterie eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs (z. B. PKW, LKW, Elektrobus, Elektro-Shuttle, usw.) einsetzbar.
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Jede der Batteriezellenanordnungen weist wenigstens eine Batteriezelle, einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter auf. Die ersten und zweiten Schalter repräsentieren hierbei logische Schalter, welche sich in konkreten Ausgestaltungen beispielsweise aus einem oder mehreren physikalischen Schaltern zusammensetzen (z. B. in Form einer „back-to-back“ Anordnung aus jeweils zwei Halbleiterschaltern). Eine konkrete Ausgestaltung der Schalter ist ferner nicht auf einen bestimmten Schaltertyp bzw. auf eine bestimmte Schaltertechnologie eingeschränkt, sodass die Schalter beispielsweise als elektronische Schalter wie MOSFETs, Si-MOSFETs, SiC-MOSFETs usw. und/oder als elektromechanische Schalter wie Schütze, Relais oder davon abweichende Schalter ausgebildet sein können. Es ist zudem möglich, dass die jeweiligen ersten Schalter und zweiten Schalter identische oder voneinander abweichende Schalterarten repräsentieren.
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Die wenigstens eine Batteriezelle enthält den eigentlichen elektrischen Energiespeicher und ist ebenfalls nicht auf eine bestimmte Bauart (z. B. Rundzelle, prismatische Zelle, Pouch-Zelle, usw.) und/oder Technologie (z. B. Lithium-lonen-Zellen, Bleizellen, usw.) eingeschränkt.
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Vorzugsweise sind die vorstehend genannten Bestandteile der jeweiligen Batteriezellenanordnungen jeweils vollständig oder teilweise in einem und/oder an einem Gehäuse einer jeweiligen Batteriezellenanordnung angeordnet, ohne dadurch auf eine solche Art der Anordnung eingeschränkt zu sein.
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Die Auswerteeinheit ist beispielsweise als ASIC, FPGA, Prozessor, digitaler Signalprozessor, Mikrocontroller, analoge Schaltung, diskrete und/oder integrierte Schaltung o. ä. ausgestaltet.
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In jeder Batteriezellenanordnung ist der jeweilige erste Schalter in Reihe zur Batteriezelle der Batteriezellenanordnung geschaltet, während der jeweilige zweite Schalter parallel zur Reihenschaltung aus der Batteriezelle und ihrem jeweils zugehörigen ersten Schalter geschaltet ist. Ferner sind die jeweiligen Batteriezellenanordnungen in Reihe zueinander geschaltet.
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Die wenigstens eine Auswerteeinheit der Batterie ist informationstechnisch mit jeweiligen Steuereingängen der ersten und zweiten Schalter verbunden und sie ist auf diese Weise eingerichtet, die Schalter einer jeweiligen Batteriezellenanordnung unabhängig von den Schaltern jeweiliger anderer Batteriezellenanordnungen anzusteuern. Eine Ansteuerung des ersten Schalters und des zweiten Schalters innerhalb einer Batteriezellenanordnung ist vorzugsweise ebenfalls unabhängig voneinander möglich.
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Die Auswerteeinheit in darüber hinaus eingerichtet, den ersten Schalter einer jeweiligen Batteriezellenanordnung zum Schließen und den zweiten Schalter der jeweiligen Batteriezellenanordnung zum Öffnen anzusteuern, um die wenigstens eine Batteriezelle der jeweiligen Batteriezellenanordnung aktiv innerhalb der Batterie zu verwenden. Mit anderen Worten wird durch eine solche Ansteuerung erreicht, dass die wenigstens eine Batteriezelle aktiv in Reihe zu den Batteriezellen weiterer Batteriezellenanordnungen der Batterie geschaltet ist und auf diese Weise zu einer Gesamtspannung und einer Gesamtkapazität der Batterie beiträgt.
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Die Auswerteeinheit ist weiter eingerichtet, den ersten Schalter einer jeweiligen Batteriezellenanordnung zum Öffnen und den zweiten Schalter der jeweiligen Batteriezellenanordnung zum Schließen anzusteuern, um die wenigstens eine Batteriezelle der jeweiligen Batteriezellenanordnung elektrisch von den jeweils anderen Batteriezellenanordnungen der Batterie zu trennen und um diese Batteriezellenanordnung hinsichtlich der Reihenschaltung aus den Batteriezellenanordnungen zu überbrücken. Mit anderen Worten trägt die wenigstens eine Batteriezelle der jeweiligen Batteriezellenanordnung im Zustand einer solchen Ansteuerung der Schalter durch die Auswerteeinheit nicht zu einer Gesamtspannung und zu einer Gesamtkapazität der Batterie bei.
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Vorstehende Konfiguration bietet den erfindungsgemäßen Vorteil, dass sämtliche Batteriezellenanordnungen der Batterie individuell zu einem die Batterie ausbildenden Verbund aus Batteriezellenanordnungen hinzugefügt und von diesem getrennt werden kann. Dadurch lassen sich neben einer sehr flexiblen Verschaltungsmöglichkeit von Batteriezellenanordnungen, welche u. a. in einer sehr flexiblen Anpassungsmöglichkeit einer solchen Batterie an unterschiedliche Einsatzszenarien resultiert, zahlreiche weitere Vorteile durch eine Verwendung einer solchermaßen konfigurierten Batterie erzielen, welche in der nachfolgenden Beschreibung vorteilhafter Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung näher erläutert werden.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die Batterie vorzugsweise eine höhere Anzahl von Batteriezellenanordnungen aufweist, als die vorstehend beschriebenen zwei Batteriezellenanordnungen. Eine Anzahl in Reihe geschalteter Batteriezellenanordnungen der Batterie ist z. B. größer als 10, größer als 50 oder größer als 100, ohne dadurch eine Einschränkung hinsichtlich einer verwendbaren Anzahl von Batteriezellenanordnungen vorzunehmen.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Auswerteeinheit eingerichtet, einen Zustand der ersten Batteriezellenanordnung und einen Zustand der zweiten Batteriezellenanordnung zu ermitteln und den ersten Schalter derjenigen Batteriezellenanordnungen zum Schließen und den zweiten Schalter derjenigen Batteriezellenanordnungen zum Öffnen anzusteuern, deren ermittelter Zustand keinen Fehlerzustand repräsentiert. Zudem ist die Auswerteinheit eingerichtet, den ersten Schalter derjenigen Batteriezellenanordnungen zum Öffnen und den zweiten Schalter derjenigen Batteriezellenanordnungen zum Schließen anzusteuern, deren ermittelter Zustand einen Fehlerzustand repräsentiert. Ein jeweiliger Fehlerzustand wird beispielswiese auf Basis einer informationstechnisch mit der Auswerteeinheit verbundenen Sensorik ermittelt, welche vorzugsweise einen durch Batteriezellenanordnung fließenden Strom und/oder eine über der Batterie und/oder der Batteriezellenanordnung abfallende Spannung und/oder eine Temperatur der Batteriezelle und/oder einen Druck innerhalb der Batteriezelle erfasst. Als Fehlerzustände lassen sich hieraus beispielsweise Kurzschlüsse und/oder unzulässig hohe Temperaturen und/oder Drücke und/oder unzulässig hohe Impedanzen der Batteriezellenanordnung usw. ermitteln. Darüber hinaus ist es auch möglich, Schaltzustände des ersten Schalters und/oder des zweiten Schalters und/oder jeweilige Temperaturen der beiden Schalter zu überwachen. Wird beispielsweise ein Fehlerzustand des ersten Schalters ermittelt (z. B. eine Überhitzung und/oder ein hinsichtlich einer Ansteuerung falscher Schaltzustand), ist es beispielsweise möglich, die betroffene Batteriezellenanordnung unabhängig von einem tatsächlichen Schaltzustand des ersten Schalters zu schließen, um die betroffene Batteriezellenanordnung in der Reihenschaltung zu überbrücken. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, Fehlerzustände von einer abseits der erfindungsgemäßen Batterie angeordneten Komponente zu empfangen (welche beispielsweise Fehlerzustände der Batterie und/oder der Batteriezellenanordnung repräsentieren) und im Ansprechen auf jeweilige Fehlerzustände eine vordefinierte Ansteuerung der ersten und zweiten Schalter der jeweiligen Batteriezellenanordnung auszuführen.
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Besonders vorteilhaft ist eine Anzahl jeweiliger in Reihe geschalteter Batteriezellenanordnungen der Batterie wenigstens um eins größer, als für eine durch die Batterie bereitzustellende (Mindest-) Ausgangsspannung und/oder (Mindest-) Kapazität und/oder (Mindest-) Ausgangsleistung erforderlich ist. Es sei darauf hingewiesen, dass vorstehend genannte Anforderungen an die Batterie vordefinierte Anforderungen oder dynamisch festgelegte Anforderungen sein können, welche beispielsweise während eines laufenden Betriebs der Batterie in Abhängigkeit aktuell vorliegender Lastsituationen usw. ermittelt werden. Eine solche redundante Auslegung von Batteriezellenanordnungen bietet den Vorteil, dass eine Abkopplung einzelner Batteriezellenanordnungen aus der Reihenschaltung von Batteriezellenanordnungen, z. B. im Ansprechen auf ein Auftreten eines Fehlerzustandes innerhalb einer Batteriezellenanordnung problemlos möglich ist, ohne dadurch einen negativen Einfluss auf eine durch die erfindungsgemäße Batterie versorgte Last auszuüben. Vorteilhaft verfügt die Batterie über eine höhere Anzahl von redundanten Batteriezellenanordnungen, sodass ohne Einfluss auf eine zu betreibende Last eine entsprechend höhere Anzahl von Batteriezellenanordnungen deaktiviert werden kann. In einem fehlerfreien Betrieb sämtlicher Batteriezellenanordnungen ist vorzugsweise jeweils eine solche Anzahl von Batteriezellenanordnung innerhalb der Reihenschaltung deaktiviert, welche der Anzahl redundanter Batteriezellenanordnungen entspricht, wobei dies keine strikte Einschränkung hinsichtlich aktiver und nicht aktiver Batteriezellenanordnungen definieren soll. Mit anderen Worten, bietet eine solche redundante Anordnung von Batteriezellenanordnungen einen besonders hohen Ausfallschutz der Batterie, da Fehlerzustände in einzelnen Batteriezellenanordnungen nicht zwangsläufig zu einem Ausfall der gesamten Batterie und/oder gesamter Module der Batterie führen. Es sei zudem darauf hingewiesen, dass eine oder mehrere redundante Batteriezellenanordnungen nicht zwangsläufig fest definierte Batteriezellenanordnungen sein müssen, sondern dass grundsätzlich jede der Batteriezellenanordnungen die Funktion einer redundanten Batteriezellenanordnung übernehmen kann. Dies erfolgt beispielsweise auf Basis einer vordefinierten oder dynamisch ermittelten Reihenfolge zum Aktivieren und Deaktivieren von Batteriezellenanordnungen, so dass die Funktion der jeweils redundanten Batteriezellenanordnung beispielsweise im Rotationsverfahren unterschiedlichen Batteriezellenanordnungen zugeordnet wird. In Abhängigkeit einer Anzahl redundanter Batteriezellenanordnungen ist es explizit möglich, auch mehr als eine Batteriezellenanordnung gleichzeitig von der Reihenschaltung abzukoppeln.
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Wie vorstehend erwähnt ist es möglich, dass die Batteriezellenanordnungen jeweils genau eine Batteriezelle oder wenigstens zwei parallelgeschaltete und/oder zwei in Reihe geschaltete Batteriezellen aufweisen. Es ist zudem möglich, dass unterschiedliche Batteriezellenanordnungen der Batterie unterschiedliche Konfigurationen von Batteriezellen aufweisen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist jede Batteriezellenanordnung eine separate Auswerteeinheit auf, welche zur Ansteuerung der ersten Schalter und zweiten Schalter der jeweiligen Batteriezellenanordnungen vorgesehen ist und welche insbesondere eingerichtet ist, mit einer übergeordneten zentralen Steuereinheit, z. B. eines Batteriemanagementsystems zu kommunizieren. Dies bietet u. a. den Vorteil, dass eine Verarbeitung von Ergebnissen von Spannungs- und/oder Strom- und/oder Temperatur- und/oder Druckmessungen innerhalb einer jeweiligen Batteriezellenanordnung unmittelbar in der Batteriezellenanordnung selbst durchführbar ist, wodurch beispielsweise eine Verarbeitungsgeschwindigkeit im Vergleich zum Stand der Technik erhöht werden kann. Zudem ist es auf diese Weise möglich, eine Rechenlast auf die einzelnen Auswerteeinheiten der jeweiligen Batteriezellenanordnungen und auf eine ggf. vorhandene zentrale Steuereinheit aufzuteilen, wodurch kostengünstigere Recheneinheiten innerhalb der Auswerteeinheiten und/oder innerhalb der zentralen Steuereinheit einsetzbar sind. Zudem lässt sich eine Reaktionsgeschwindigkeit auf jeweilige Messergebnisse erhöhen, da diese, insbesondere bei zeitkritischen Situationen, nicht zunächst an eine zentrale Steuereinheit (ggf. sequentiell) übertragen werden müssen. Insbesondere im Zusammenhang mit festgestellten Fehlerzuständen innerhalb der jeweiligen Batteriezellenanordnungen ist somit durch die jeweilige Auswerteeinheit eine lokale Ausführung einer Fehlerreaktion innerhalb der Batteriezellenanordnung möglich. Es sei darauf hingewiesen, dass eine Kommunikationsverbindung (z. B. eine Busverbindung oder eine davon abweichende Verbindung) nicht nur zwischen den einzelnen Auswerteeinheiten und einer ggf. vorhandenen zentralen Steuereinheit denkbar ist, sondern dass die einzelnen Auswerteeinheiten auch direkte Kommunikationsverbindungen untereinander aufweisen können.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Auswerteeinheit eingerichtet ist, das Aktivieren und das Überbrücken von Batteriezellen der Batteriezellenanordnungen zusätzlich für ein Balancing der Batteriezellen (d. h. für ein Angleichen jeweiliger Ladezustände) und/oder für ein Vereinheitlichen einer Belastung der Batteriezellen (z. B. eine Temperaturbelastung über die Zeit) untereinander zu verwenden. Um ein Angleichen von Ladezuständen jeweiliger Batteriezellen der Batteriezellenanordnungen zu erreichen, werden beispielsweise diejenigen Batteriezellenanordnungen, deren zugehörige Batteriezellen einen höheren Ladezustand aufweisen als die Batteriezellen anderer Batteriezellenanordnungen, in einem wie obenstehend beschriebenen Rotationsverfahren zum Abkoppeln von Batteriezellenanordnungen, mit einer geringeren Häufigkeit vom Verbund aus Batteriezellenanordnungen abgekoppelt, um über die Zeit eine höhere Energieentnahme aus den stärker geladenen Batteriezellen zu bewirken. Eine Reihenfolge und/oder eine Häufigkeit und/oder eine Dauer jeweiliger Abkopplungen von Batteriezellenanordnungen wird vorteilhaft in Abhängigkeit einer Höhe eines jeweiligen Ladezustandes der Batteriezellen festgelegt. Ähnlich lässt sich verfahren, um beispielsweise abweichende Temperaturen zwischen Batteriezellen anzugleichen, indem diejenigen Batteriezellenanordnungen häufiger und/oder länger abgekoppelt werden, deren zugeordnete Batteriezellen eine höhere Temperatur aufweisen als die Batteriezellen anderer Batteriezellenanordnungen. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn eine ausreichend gleichmäßige Kühlung sämtlicher Batteriezellen aufgrund ihrer jeweiligen Anordnungspositionen innerhalb der Batterie mittels eines (einfachen) Kühlsystems nicht erreichbar ist. Die erfindungsgemäße Batterie bietet dementsprechend den Vorteil, dass sich Zustände einzelner Batteriezellenanordnungen auf besonders flexible Weise und insbesondere im laufenden Betrieb auf einfache Weise aneinander angleichen lassen.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Auswerteeinheit eingerichtet ist, in aufeinanderfolgenden Zeiträumen jeweils eine erste Ausgangsspannung und eine von der ersten Ausgangsspannung abweichende zweite Ausgangsspannung der Batterie bereitzustellen, indem mittels einer Ansteuerung jeweiliger erster Schalter und jeweiliger zweiter Schalter abwechselnd eine erste Anzahl und eine von der ersten Anzahl abweichende zweite Anzahl von Batteriezellen der Batteriezellenanordnungen aktiv geschaltet wird, während die jeweils anderen Batteriezellen der Batteriezellenanordnungen überbrückt werden. Es sei darauf hingewiesen, dass sich auf diese Weise auch mehr als zwei unterschiedliche Ausgangsspannungen bereitstellen lassen. Vorzugsweise wechseln jeweilige Kombinationen aktiver Batteriezellenanordnungen zum Erzeugen der jeweiligen Ausgangsspannungen über die Zeit ab, so dass eine im Wesentlichen gleichmäßige Entladung und/oder Belastung der einzelnen Batteriezellen erfolgt. Mit anderen Worten lässt sich im Zuge der Bereitstellung unterschiedlicher Ausgangsspannungen auf Basis geeigneter Aktivierungen und Deaktivierungen von Batteriezellenanordnungen gleichzeitig ein Balancing und/oder eine Temperaturangleichung und/oder eine Angleichung und/oder Überwachung weiterer Zustände der Batteriezellen erzielen. Die hier beschrieben vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung erlaubt zusammengefasst eine besonders einfache, effiziente und flexible Bereitstellung unterschiedlicher Spannungsebenen auf Basis einer einzelnen Batterie, ohne dass zusätzliche Komponenten wie DC/DC-Wandler usw. notwendig sind. Auf diese Weise lässt sich beispielweise eine kombinierte Anwendung einer ersten Batterie für eine erste Spannungsebene und einer zweiten Batterie für eine zweite Spannungsebene, wie sie beispielweise in Fahrzeugen in Form einer 12 V Batterie und einer 48 V Batterie und/oder einer Hochvoltbatterie anzutreffen ist, durch eine einzelne erfindungsgemäße Batterie ersetzen. Dies ermöglicht beispielsweise eine Kosten- und/oder Bauraum- und/oder Gewichtsreduktion.
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Vorteilhaft weist die erfindungsgemäße Batterie weiter einen dritten Schalter, einen vierten Schalter, einen ersten Kondensator und einen zweiten Kondensator auf, wobei eine Reihenschaltung aus dem dritten Schalter und dem ersten Kondensator parallel zur Reihenschaltung aus den Batteriezellenanordnungen der Batterie geschaltet ist und wobei eine Reihenschaltung aus dem vierten Schalter und dem zweiten Kondensator parallel zur Reihenschaltung aus den Batteriezellenanordnungen der Batterie geschaltet ist. Der dritte Schalter und der vierte Schalter sind beispielsweise ebenfalls als elektronische Schalter wie MOSFETs, Si-MOSFETs, SiC-MOSFETs usw. und/oder als elektromechanische Schalter wie Schütze, Relais oder davon abweichende Schalter ausgebildet. Die Auswerteeinheit ist hier eingerichtet, zu Beginn eines ersten Zeitraums die erste Ausgangsspannung der Batterie einzustellen, den dritten Schalter zu schließen und den vierten Schalter zu öffnen, sodass der erste Kondensator mittels der ersten Ausgangsspannung geladen wird. Die Auswerteeinheit ist weiter eingerichtet, zu Beginn eines dem ersten Zeitraum nachfolgenden zweiten Zeitraums die zweite Ausgangsspannung der Batterie einzustellen, den dritten Schalter zu öffnen und den vierten Schalter zu schließen, sodass der zweite Kondensator mittels der zweiten Ausgangsspannung geladen wird. Der erste Kondensator und der zweite Kondensator, welche beispielsweise als Superkondensatoren oder davon abweichende Kondensatoren ausgebildet sind, dienen jeweils zur Pufferung elektrischer Energie, da prinzipbedingt keine permanente elektrische Verbindung zwischen den jeweiligen Kondensatoren und der Batterie besteht.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Energiesystem vorgeschlagen, welches aufweist: eine Batterie nach vorstehender Beschreibung, einen ersten Verbraucher und einen zweiten Verbraucher, wobei der erste Verbraucher für die erste Ausgangsspannung ausgelegt ist und eingerichtet ist, elektrisch mit dem ersten Kondensator verbunden zu werden und eine im ersten Kondensator gespeicherte elektrische Energie zu verbrauchen und wobei der zweite Verbraucher für die zweite Ausgangsspannung ausgelegt ist und eingerichtet ist, elektrisch mit dem zweiten Kondensator verbunden zu werden und eine im zweiten Kondensator gespeicherte elektrische Energie zu verbrauchen. Die Merkmale, Merkmalskombinationen sowie die sich aus diesen ergebenden Vorteile entsprechen den in Verbindung mit dem erstgenannten Erfindungsaspekt ausgeführten derart ersichtlich, dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Energiesystems wird eine jeweilige Dauer und/oder ein jeweiliger Wiederholungszyklus des ersten Zeitraums und des zweiten Zeitraums in Abhängigkeit einer jeweiligen Energieaufnahme durch den ersten Verbraucher und den zweiten Verbraucher festgelegt und/oder angepasst. Auf diese Weise lässt sich die erfindungsgemäße Batterie jeweils optimal an unterschiedliche Energiebedarfe unterschiedlicher Verbraucher anpassen.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batterie; und
- 2 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiesystems.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batterie. Die Batterie weist eine Vielzahl in Reihe geschalteter Batteriezellenanordnungen 10, 20 auf, von welchen hier exemplarisch eine ersten Batteriezellenanordnung 10 und eine zweite Batteriezellenanordnung 20 gezeigt sind. Da die Batteriezellenanordnungen 10, 20 hier identisch ausgebildet sind, ist nur die erste Batteriezellenanordnung 10 im Detail gezeigt und es wird nachfolgend zur Vermeidung von Wiederholungen nur die erste Batteriezellenanordnung 10 stellvertretend im Detail beschrieben.
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Die erste Batteriezellenanordnung 10 weist eine Batteriezelle 30 auf, welche einen elektrischen Energiespeicher der Batterie repräsentiert, einen ersten Schalter 40, welcher ein logischer Schalter ist und aus zwei Halbleiterschaltern in einer sogenannten „back-to-back“ Anordnung ausgebildet ist, einen zweiten Schalter 45, welcher aus einem einzelnen Halbleiterschalter ausgebildet ist und eine Auswerteeinheit 50 auf, welche hier als ASIC ausgebildet ist. Der erste Schalter 40 ist in Reihe zur Batteriezelle 30 geschaltet, während der zweite Schalter 45 parallel zur Reihenschaltung aus dem ersten Schalter 40 und der Batteriezelle 30 geschaltet ist.
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Die Auswerteeinheit 50 ist elektrisch mit jeweiligen Steuereingängen des ersten Schalters 40 und des zweiten Schalters 45 verbunden und auf diese Weise eingerichtet, die erste Batteriezellenanordnung 10 durch Schließen des ersten Schalters 40 und durch Öffnen des zweiten Schalters 45 elektrisch in die Reihenschaltung der Batteriezellenanordnungen 10, 20 einzubinden und die erste Batteriezellenanordnung 10 durch Öffnen des ersten Schalters 40 und durch Schließen des zweiten Schalters 45 elektrisch von der Reihenschaltung der Batteriezellenanordnungen 10, 20 zu entkoppeln.
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Die erste Batteriezellenanordnung 10 weist zudem einen Temperatursensor 52 und einen Spannungssensor 54 auf, über welche die Auswerteeinheit 50 zusätzlich eingerichtet ist, einen Zustand der Batteriezelle 30 zu überwachen und im Falle eines vorliegenden Fehlerzustandes die erste Batteriezellenanordnung 10 aus der Reihenschaltung von Batteriezellenanordnungen 10, 20 elektrisch zu entkoppeln.
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Über einen ersten Batterieanschluss 80 und einen zweiten Batterieanschluss 85 ist die Batterie eingerichtet, eine in der Batterie gespeicherte elektrische Energie bereitzustellen und/oder eine über die Batterieanschlüsse 80, 85 von extern bereitgestellte elektrische Energie entgegenzunehmen und zu speichern.
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Die Auswerteeinheit 50 ist ferner mittels einer geeigneten Ansteuerung jeweiliger erster Schalter 40 und zweiter Schalter 45 eingerichtet, ein Balancing, d. h., eine Ladezustandsangleichung von Batteriezellen 30 der Batterie durchzuführen, indem sämtliche Batteriezellenanordnungen 10, 20 sequentiell und wiederkehrend aus der Reihenschaltung von Batteriezellenanordnungen 10, 20 elektrisch abgekoppelt werden und je nach Ladezustand der jeweiligen Batteriezellen 30 der Batteriezellenanordnungen 10, 20 unterschiedlich lang im abgekoppelt Zustand verbleiben.
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Vorzugsweise sind die jeweiligen Auswerteeinheiten 50 der Batteriezellenanordnungen 10, 20 eingerichtet, mit einem (nicht gezeigten) Batteriemanagementsystem zu kommunizieren, um interne Zustände an das Batteriemanagementsystem zu übermitteln und übergeordnete Handlungsanweisungen vom Batteriemanagementsystem zu empfangen.
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2 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiesystems, wobei das Energiesystem hier ein Teil eines Niedervoltbordnetzes eines Fahrzeugs ist. Das Energiesystem weist eine Batterie mit einer Vielzahl von Batteriezellenanordnungen 10, 20, 25 auf, von welchen hier beispielhaft drei Batteriezellenanordnungen 10, 20, 25 gezeigt sind. Jede Batteriezellenanordnung 10, 20, 25 weist eine Batteriezelle 30, einen ersten Schalter 40 und einen zweiten Schalter 45 auf. Die jeweiligen Schalter 40, 45 sind mit einer als ASIC ausgebildeten zentralen Auswerteeinheit 50 der Batterie elektrisch verbunden und auf diese Weise eingerichtet, durch die Auswerteeinheit 50 angesteuert zu werden. Alternativ ist es denkbar, dass die Ansteuerung über jeweils separate Auswerteeinheiten 50 erfolgt, die in jeder Batteriezellenanordnung 10, 20, 25 der Batterie angeordnet sein können.
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Die Auswerteeinheit 50 ist eingerichtet, in aufeinanderfolgenden Zeiträumen jeweils eine erste Ausgangsspannung U1, hier in Höhe von 12 V und eine von der ersten Ausgangsspannung U1 abweichende zweite Ausgangsspannung U2, hier in Höhe von 48 V, der Batterie bereitzustellen, indem mittels einer Ansteuerung jeweiliger erster Schalter 40 und jeweiliger zweiter Schalter 45 abwechselnd eine erste Anzahl und eine von der ersten Anzahl abweichende zweite Anzahl von Batteriezellen 30 der Batteriezellenanordnungen 10, 20, 25 aktiv geschaltet wird, während die jeweils anderen Batteriezellen 30 der Batteriezellenanordnungen 10, 20, 25 überbrückt werden.
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Des Weiteren ist in dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiesystems eine Reihenschaltung aus einem dritten Schalter 60 und einem ersten Kondensator C1 parallel zur Reihenschaltung aus den Batteriezellenanordnungen 10, 20, 25 der Batterie geschaltet, während eine Reihenschaltung aus einem vierten Schalter 65 und einem zweiten Kondensator C2 parallel zur Reihenschaltung aus den Batteriezellenanordnungen 10, 20, 25 der Batterie geschaltet ist.
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Die Auswerteeinheit 50 ist eingerichtet, zu Beginn eines jeweiligen ersten Zeitraums die erste Ausgangsspannung U1 der Batterie einzustellen, den dritten Schalter 60 zu schließen und den vierten Schalter 65 zu öffnen, sodass der erste Kondensator C1 mittels der ersten Ausgangsspannung U1 geladen wird. Ein erster Verbraucher 70, welcher für eine Spannung von 12 V ausgelegt ist, ist elektrisch mit dem ersten Kondensator C1 verbunden und eingerichtet, eine im ersten Kondensator C1 gespeicherte elektrische Energie zu verbrauchen.
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Die Auswerteeinheit 50 ist ferner eingerichtet, zu Beginn eines dem ersten Zeitraum nachfolgenden zweiten Zeitraums die zweite Ausgangsspannung U2 der Batterie einzustellen, den dritten Schalter 60 zu öffnen und den vierten Schalter 65 zu schließen, sodass der zweite Kondensator C2 mittels der zweiten Ausgangsspannung U2 geladen wird. Ein zweiter Verbraucher 75, welcher für eine Spannung von 48 V ausgelegt ist, ist elektrisch mit dem zweiten Kondensator C2 verbunden und eingerichtet, eine im zweiten Kondensator C2 gespeicherte elektrische Energie zu verbrauchen.
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Vorteilhaft werden eine jeweilige Dauer und/oder ein jeweiliger Wiederholungszyklus des ersten Zeitraums und des zweiten Zeitraums in Abhängigkeit einer jeweiligen Energieaufnahme durch den ersten Verbraucher 70 und den zweiten Verbraucher 75 festgelegt und angepasst.