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DE102018217382A1 - Method for operating a battery system and electric vehicle and battery system for an electric vehicle - Google Patents

Method for operating a battery system and electric vehicle and battery system for an electric vehicle Download PDF

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DE102018217382A1
DE102018217382A1 DE102018217382.6A DE102018217382A DE102018217382A1 DE 102018217382 A1 DE102018217382 A1 DE 102018217382A1 DE 102018217382 A DE102018217382 A DE 102018217382A DE 102018217382 A1 DE102018217382 A1 DE 102018217382A1
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battery strings
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string
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Application number
DE102018217382.6A
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German (de)
Inventor
Jochen Wieland
Christoph Woll
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Batteriesystems (10) für ein Elektrofahrzeug, umfassend eine Mehrzahl von parallel verschaltbaren Batteriesträngen (7), wobei jeder Batteriestrang (7) mindestens ein Batteriemodul (5) aufweist, und jedes Batteriemodul (5) mindestens eine Batteriezelle aufweist, und wobei die einzelnen Batteriestränge (7) separat und unabhängig voneinander auf eine Sammelleitung (63) zuschaltbar sind, wobei beim Entladen des Batteriesystems (10) nur eine ausgewählte Anzahl der Batteriestränge (7) zugeschaltet wird, so dass mindestens einer der Batteriestränge (7) ständig abgeschaltet bleibt. Die Erfindung betrifft auch ein Batteriesystem (10) für ein Elektrofahrzeug, umfassend eine Mehrzahl von parallel verschaltbaren Batteriesträngen (7), wobei jeder Batteriestrang (7) mindestens ein Batteriemodul (5) aufweist, und jedes Batteriemodul (5) mindestens eine Batteriezelle aufweist, und wobei jedem der Batteriestränge (7) ein separater Strangschalter (61) zugeordnet ist, mittels welchen die einzelnen Batteriestränge (7) separat und unabhängig voneinander auf eine Sammelleitung (63) zuschaltbar sind, und ein Managementsystem (20) zum Überwachen der Batteriestränge (7) und zum Ansteuern der Strangschalter (61), wobei das Managementsystem (20) zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist.The invention relates to a method for operating a battery system (10) for an electric vehicle, comprising a plurality of battery strings (7) that can be connected in parallel, each battery string (7) having at least one battery module (5), and each battery module (5) having at least one battery cell The individual battery strings (7) can be connected separately and independently of one another to a collecting line (63), only a selected number of the battery strings (7) being switched on when the battery system (10) is discharged, so that at least one of the battery strings ( 7) remains switched off constantly. The invention also relates to a battery system (10) for an electric vehicle, comprising a plurality of battery strings (7) which can be connected in parallel, each battery string (7) having at least one battery module (5), and each battery module (5) having at least one battery cell, and Each of the battery strings (7) is assigned a separate string switch (61), by means of which the individual battery strings (7) can be connected separately and independently of one another to a collecting line (63), and a management system (20) for monitoring the battery strings (7) and for controlling the string switches (61), the management system (20) being set up to carry out the method according to the invention.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Batteriesystems für ein Elektrofahrzeug, wobei das Batteriesystem eine Mehrzahl von parallel verschaltbaren Batteriesträngen umfasst, wobei jeder Batteriestrang mindestens ein Batteriemodul aufweist und jedes Batteriemodul mindestens eine Batteriezelle aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein Batteriesystem für ein Elektrofahrzeug, welches ferner ein Managementsystem zum Überwachen der Batteriestränge aufweist.The invention relates to a method for operating a battery system for an electric vehicle, the battery system comprising a plurality of battery strings which can be connected in parallel, each battery strand having at least one battery module and each battery module having at least one battery cell. The invention also relates to a battery system for an electric vehicle, which also has a management system for monitoring the battery strings.

Stand der TechnikState of the art

Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft vermehrt elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge zum Einsatz kommen werden. In elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen, wie Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen, aber auch in stationären Anwendungen werden aufladbare Batteriesysteme eingesetzt, vorwiegend um elektrische Antriebseinrichtungen mit elektrischer Energie zu versorgen. Für solche Anwendungen eignen sich insbesondere Batteriesysteme mit Lithium-Batteriezellen. Lithium-Batteriezellen zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Mehrere derartige Lithium-Batteriezellen werden elektrisch seriell als auch parallel miteinander verschaltet und zu Batteriemodulen verbunden. Mehrere solcher Batteriemodule werden, insbesondere seriell, zu einem Batteriestrang miteinander verschaltet. Ein Batteriesystem des Elektrofahrzeugs umfasst mehrere derartig ausgebildete und parallel miteinander verschaltete Batteriestränge.It is becoming apparent that electric vehicles will increasingly be used in the future. Rechargeable battery systems are used in electrically powered motor vehicles, such as electric vehicles and hybrid vehicles, but also in stationary applications, primarily to supply electrical drive devices with electrical energy. Battery systems with lithium battery cells are particularly suitable for such applications. Lithium battery cells are characterized, among other things, by high energy densities, thermal stability and extremely low self-discharge. Several lithium battery cells of this type are electrically connected in series and in parallel with one another and connected to form battery modules. Several such battery modules are interconnected, in particular in series, to form a battery string. A battery system of the electric vehicle comprises a plurality of battery strings designed in this way and connected in parallel with one another.

Im Betrieb des Elektrofahrzeugs werden die Batteriezellen des Batteriesystems zum Antrieb des Elektrofahrzeugs sowie zur Versorgung weiterer Verbraucher genutzt und dabei entladen. Ein Ladezustand der Batteriezellen, Batteriemodule und Batteriestränge wird von einem Managementsystem überwacht. Wenn die Batteriezellen weitgehend entladen sind, ist ein erneutes Laden erforderlich. Wenn die Batteriestränge annähernd gleichmäßig benutzt und belastet werden, so werden auch die einzelnen Batteriezellen der Batteriemodule annähernd gleichmäßig entladen.During operation of the electric vehicle, the battery cells of the battery system are used to drive the electric vehicle and to supply other consumers, and are discharged in the process. A charge level of the battery cells, battery modules and battery strings is monitored by a management system. If the battery cells are largely discharged, they must be recharged. If the battery strings are used and loaded approximately evenly, the individual battery cells of the battery modules are also discharged approximately uniformly.

Das Dokument DE 10 2012 204 933 A1 offenbart ein Batteriesystem und ein Verfahren zum Ansteuern von Batteriemodulen des Batteriesystems. Dabei können einzelne Batteriemodule sowie Batteriezellen einem Batteriestrang zugeschaltet oder von dem Batteriestrang getrennt werden. Durch eine entsprechende Taktung eines Batteriemoduls ist eine bestimmte oder gewählte Ausgangsspannung des zugehörigen Batteriestrangs einstellbar.The document DE 10 2012 204 933 A1 discloses a battery system and a method for driving battery modules of the battery system. Individual battery modules and battery cells can be connected to a battery string or separated from the battery string. A specific or selected output voltage of the associated battery string can be set by appropriate clocking of a battery module.

Das Dokument DE 10 2013 213 266 A1 offenbart ein Energiespeichersystem mit mehreren parallel verschalteten Energiespeichermodulsträngen. Durch einen Pulsbetrieb eines Energiespeichermodulstrangs für eine bestimmte Pulsbetriebszeit kann der Energiespeichermodulstrang einen Pulsstrom liefern, während die übrigen Energiespeichermodulstränge in einem Dauerbetrieb einen Dauerstrom liefern. Dadurch kann von dem Energiespeichersystem kurzfristig eine erhöhte elektrische Leistung bereitgestellt werden.The document DE 10 2013 213 266 A1 discloses an energy storage system with a plurality of energy storage module strings connected in parallel. By pulsed operation of an energy storage module string for a specific pulse operating time, the energy storage module string can deliver a pulse current, while the remaining energy storage module strings deliver a continuous current in continuous operation. As a result, the electrical energy storage system can provide increased electrical power for a short time.

Das Dokument DE 10 2014 109 092 A1 offenbart ein Antriebssystem für ein Unterseeboot, welches mehrere Batteriestränge aufweist, die mit einem Gleichspannungsnetz verbindbar und von dem Gleichspannungsnetz trennbar sind. Dabei sind die Ströme durch die einzelnen Batteriestränge einstellbar. Durch entsprechendes Einstellen der Ströme durch die einzelnen Batteriestränge werden die Ausgangsspannungen der einzelnen Batteriestränge derart eingestellt, dass Ausgleichsströme zwischen den einzelnen Batteriesträngen minimiert werden.The document DE 10 2014 109 092 A1 discloses a propulsion system for a submarine which has a plurality of battery strings which can be connected to a DC voltage network and can be separated from the DC voltage network. The currents through the individual battery strings are adjustable. By appropriately setting the currents through the individual battery strings, the output voltages of the individual battery strands are set such that compensating currents between the individual battery strings are minimized.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es wird ein Verfahren zum Betrieb eines Batteriesystems für ein Elektrofahrzeug vorgeschlagen. Das Batteriesystem umfasst eine Mehrzahl von parallel verschaltbaren Batteriesträngen, wobei jeder Batteriestrang mindestens ein Batteriemodul aufweist. Vorzugsweise weist jeder der besagten Batteriestränge eine Mehrzahl von Batteriemodulen auf, welche seriell miteinander verschaltetet sind. Jedes Batteriemodul weist mindestens eine Batteriezelle auf. Vorzugsweise weist jedes Batteriemodul mehrere Batteriezellen auf, wobei die Batteriezellen innerhalb des Batteriemoduls sowohl seriell als auch parallel miteinander verschaltetet sein können. Die einzelnen Batteriestränge sind separat und unabhängig voneinander auf eine Sammelleitung zuschaltbar und von der Sammelleitung abschaltbar.A method for operating a battery system for an electric vehicle is proposed. The battery system comprises a plurality of battery strings which can be connected in parallel, each battery strand having at least one battery module. Each of said battery strings preferably has a plurality of battery modules which are connected in series with one another. Each battery module has at least one battery cell. Each battery module preferably has a plurality of battery cells, it being possible for the battery cells within the battery module to be connected to one another both in series and in parallel. The individual battery strings can be connected separately and independently of one another to a collecting line and can be switched off from the collecting line.

Beim Entladen des Batteriesystems wird dabei nur eine ausgewählte Anzahl der Batteriestränge zugeschaltet, so dass mindestens einer der Batteriestränge ständig abgeschaltet bleibt. Ein mit der Sammelleitung elektrisch verbundener Batteriestrang wird als zugeschaltet bezeichnet. Ein von der Sammelleitung elektrisch getrennter Batteriestrang wird als abgeschaltet bezeichnet. Jedem der Batteriestränge ist beispielsweise ein separater Strangschalter zugeordnet, mittels welchem der betreffende Batteriestrang auf die Sammelleitung zuschaltbar und von der Sammelleitung abschaltbar ist.When the battery system is discharged, only a selected number of battery strings are switched on, so that at least one of the battery strings remains switched off continuously. A battery string which is electrically connected to the collecting line is referred to as being switched on. A battery string that is electrically isolated from the collecting line is referred to as switched off. Each of the battery strings is assigned, for example, a separate string switch, by means of which the relevant battery string can be switched on to the collecting line and can be switched off from the collecting line.

Beim Fahren des Elektrofahrzeugs werden ausschließlich die zugeschalteten Batteriestränge des Batteriesystems entladen. Durch die abgeschalteten Batteriestränge fließt kein Strom und somit werden die abgeschalteten Batteriestränge nicht entladen. Beim Fahren des Elektrofahrzeugs wird also mindestens ein Batteriestrang nicht entladen.When driving the electric vehicle, only the battery strings of the battery system that are switched on are discharged. No electricity flows through the switched off battery strings and therefore the switched off battery strings are not discharged. When the electric vehicle is driving, at least one battery string is not discharged.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird, wenn beim Entladen des Batteriesystems einer der zugeschalteten Batteriestränge entleert ist, dieser entleerte Batteriestrang abgeschaltet, und ein anderer Batteriestrang wird zugeschaltet, welcher mindestens teilgeladen oder vollgeladen ist.According to a preferred embodiment of the invention, when one of the connected battery strings is drained when the battery system is discharged, this drained battery string is switched off and another battery string is switched on which is at least partially charged or fully charged.

Die Batteriezellen der Batteriemodule der einzelnen Batteriestränge weisen jeweils einen Ladezustand (state of charge, SOC) auf, der durch entsprechende Sensoren erfasst wird. Beispielsweise werden die Spannungen der Batteriezellen von Spannungssensoren gemessen, und aus den gemessenen Spannungen werden die Ladezustände berechnet. Die Ladezustände der Batteriezellen eines Batteriestrangs definieren dabei einen Ladezustand des Batteriestrangs. Die einzelnen Batteriezellen, und somit auch die Batteriestränge, weisen eine maximale Ladekapazität auf, auf die der aktuelle Ladezustand bezogen ist.The battery cells of the battery modules of the individual battery strings each have a state of charge (SOC), which is detected by appropriate sensors. For example, the voltages of the battery cells are measured by voltage sensors, and the charge states are calculated from the measured voltages. The state of charge of the battery cells of a battery string define a state of charge of the battery string. The individual battery cells, and thus also the battery strings, have a maximum charging capacity to which the current state of charge is based.

Ein Batteriestrang, dessen aktueller Ladezustand geringer als 20 % seiner maximalen Ladekapazität ist, wird in diesem Zusammenhang als entleert bezeichnet. Ein Batteriestrang, dessen aktueller Ladezustand zwischen 20 % und 85 % seiner maximalen Ladekapazität liegt, wird in diesem Zusammenhang als teilgeladen bezeichnet. Ein Batteriestrang, dessen aktueller Ladezustand größer als 85 % seiner maximalen Ladekapazität ist, wird in diesem Zusammenhang als vollgeladen bezeichnet. Diese Grenzwerte zwischen den Ladezuständen sind hier beispielhaft zu sehen und können auch anders festgelegt werden. Der hier vorgeschlagene Grenzwert von 20 % der maximalen Ladekapazität zur Bestimmung, ob der Batteriestrang entleert ist, sollte jedoch nicht zu stark unterschritten werden, um eine Tiefentladung der Batteriezellen zu vermeiden.In this context, a battery string whose current state of charge is less than 20% of its maximum charge capacity is called empty. In this context, a battery string whose current state of charge is between 20% and 85% of its maximum charging capacity is referred to as partially charged. In this context, a battery string whose current state of charge is greater than 85% of its maximum charging capacity is referred to as fully charged. These limit values between the charge states can be seen here as examples and can also be defined differently. However, the limit value proposed here of 20% of the maximum charging capacity for determining whether the battery string is empty should not be undershot too much in order to avoid deep discharge of the battery cells.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird derjenige Batteriestrang zugeschaltet, welcher von den mindestens teilgeladen oder vollgeladenen Batteriesträngen am geringsten geladen ist. Wenn also einer der zugeschalteten Batteriestränge entleert ist und abgeschaltet wird, so wird derjenige von den nicht entleerten Batteriesträngen zugeschaltet, welcher den geringsten Ladezustand aufweist.According to an advantageous embodiment of the invention, the battery train that is least charged of the at least partially charged or fully charged battery trains is switched on. So if one of the connected battery strings is emptied and switched off, the one of the non-emptied battery strings that has the lowest state of charge is switched on.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird beim Entladen des Batteriesystems die Anzahl der zugeschalteten Batteriestränge derart ausgewählt, dass die Anzahl der zugeschalteten Batteriestränge einen benötigten Batteriestrom liefern kann, und dass die Anzahl der zugeschalteten Batteriestränge minimal ist. Es werden also stets nur so viele Batteriestränge zugeschaltet wie zum Liefern des benötigten Batteriestroms, beispielsweise zum Antrieb des Elektrofahrzeugs, erforderlich sind.According to a preferred development of the invention, when the battery system is discharged, the number of battery strings connected is selected such that the number of battery strings connected can supply a required battery current and that the number of battery strings connected is minimal. Thus, only as many battery strings are always connected as are required to supply the required battery power, for example to drive the electric vehicle.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung bleibt beim Entladen des Batteriesystems genau ein bestimmter Batteriestrang zugeschaltet, bis der bestimmte Batteriestrang entleert ist. Dieser bestimmte Batteriestrang wird damit zuerst entladen und ist als erster der Batteriestränge entleert. Wenn dieser Batteriestrang dann entleert ist und abgeschaltet wird, so wird ein anderer Batteriestrang bestimmt, der beim Entladen des Batteriesystems zugeschaltet bleibt.According to an advantageous further development of the invention, when the battery system is discharged, exactly one specific battery string remains switched on until the specific battery string is empty. This particular battery string is thus discharged first and is the first of the battery strings to be empty. If this battery string is then drained and switched off, a different battery string is determined, which remains switched on when the battery system is discharged.

Diese Betriebsart des Elektrofahrzeugs und des Batteriesystems ist beispielsweise dann anwendbar, wenn das Elektrofahrzeug vorwiegend auf Kurzstrecken und bei niedrigen Geschwindigkeiten betrieben wird. In diesem Fall wird vorwiegend nur ein verhältnismäßig geringer Batteriestrom zum Antrieb des Elektrofahrzeugs benötigt, der von einem einzigen Batteriestrang geliefert werden kann.This operating mode of the electric vehicle and the battery system can be used, for example, when the electric vehicle is operated primarily on short distances and at low speeds. In this case, only a relatively small battery current is required to drive the electric vehicle, which can be supplied by a single battery string.

Vorzugsweise wird dabei zusätzlich zu dem einen bestimmten Batteriestrang eine Menge an Batteriesträngen zugeschaltet, welche derart berechnet wird, dass die Anzahl der zugeschalteten Batteriestränge einen benötigten Batteriestrom liefern kann. Dies ist insbesondere erforderlich, wenn kurzzeitig ein höherer Batteriestrom benötigt wird, beispielsweise beim Beschleunigen des Elektrofahrzeugs.In this case, in addition to the one particular battery string, a quantity of battery strings is preferably connected, which is calculated in such a way that the number of battery strings connected can supply a required battery current. This is particularly necessary if a higher battery current is required for a short time, for example when accelerating the electric vehicle.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung bleiben beim Entladen des Batteriesystems mindestens zwei bestimmte Batteriestränge zugeschaltet, bis die bestimmten Batteriestränge entleert sind. Diese bestimmten Batteriestränge werden damit zuerst entladen und sind als erste der Batteriestränge entleert. Wenn diese Batteriestränge dann entleert sind und abgeschaltet werden, so werden andere Batteriestränge bestimmt, die beim Entladen des Batteriesystems zugeschaltet bleiben.According to another advantageous development of the invention, at least two specific battery strings remain connected when the battery system is discharged until the specific battery strings are empty. These specific battery strings are thus discharged first and are the first of the battery strings to be discharged. If these battery strings are then empty and are switched off, other battery strings are determined which remain switched on when the battery system is discharged.

Diese Betriebsart des Elektrofahrzeugs und des Batteriesystems ist beispielsweise dann anwendbar, wenn zum Antrieb des Elektrofahrzeugs vorwiegend ein höherer Batteriestrom benötigt wird. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn das Elektrofahrzeug vorwiegend bei mittleren oder höheren Geschwindigkeiten betrieben wird. Der zum Antrieb des Elektrofahrzeugs benötigte Batteriestrom hängt dabei neben der Geschwindigkeit auch beispielsweise von Beschleunigungsvorgängen sowie von Steigungen bei Bergfahrten ab.This operating mode of the electric vehicle and the battery system can be used, for example, when a higher battery current is predominantly required to drive the electric vehicle. This is particularly the case if the electric vehicle is operated predominantly at medium or higher speeds. The battery current required to drive the electric vehicle depends not only on the speed, but also, for example, on acceleration processes and on gradients when driving uphill.

Vorzugsweise wird dabei zusätzlich zu den mindestens zwei bestimmten Batteriesträngen eine Menge an Batteriesträngen zugeschaltet, welche derart berechnet wird, dass die Anzahl der zugeschalteten Batteriestränge einen benötigten Batteriestrom liefern kann. Dies ist insbesondere erforderlich, wenn kurzzeitig ein höherer Batteriestrom benötigt wird, beispielsweise beim starken Beschleunigen des Elektrofahrzeugs.In addition to the at least two specific battery strings, a quantity of battery strings is preferably connected, which is calculated in such a way that the number of connected battery strings can supply a required battery current. This is especially necessary if a higher battery current is required for a short time, for example when the electric vehicle is accelerating strongly.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird auch beim Laden des Batteriesystems nur eine ausgewählte Anzahl der Batteriestränge zugeschaltet, so dass mindestens einer der Batteriestränge beim Laden ständig abgeschaltet bleibt.According to a preferred development of the invention, only a selected number of battery strings is also switched on when the battery system is being charged, so that at least one of the battery strings remains switched off continuously during charging.

Vorzugsweise werden beim Laden des Batteriesystems nur entleerte Batteriestränge zugeschaltet. Es werden also ausschließlich entleerte Batteriestränge geladen. Teilgeladene Batteriestränge und vollgeladene Batteriestränge werden also nicht geladen.Preferably only empty battery strings are switched on when charging the battery system. So only drained battery strings are charged. Partially charged battery strings and fully charged battery strings are therefore not charged.

Es wird auch ein Batteriesystem für ein Elektrofahrzeug vorgeschlagen. Das Batteriesystem umfasst eine Mehrzahl von parallel verschaltbaren Batteriesträngen, wobei jeder Batteriestrang mindestens ein Batteriemodul aufweist. Vorzugsweise weist jeder der besagten Batteriestränge eine Mehrzahl von Batteriemodulen auf, welche seriell miteinander verschaltetet sind. Jedes Batteriemodul weist mindestens eine Batteriezelle auf. Vorzugsweise weist jedes Batteriemodul mehrere Batteriezellen auf, wobei die Batteriezellen innerhalb des Batteriemoduls sowohl seriell als auch parallel miteinander verschaltetet sein können.A battery system for an electric vehicle is also proposed. The battery system comprises a plurality of battery strings which can be connected in parallel, each battery strand having at least one battery module. Each of said battery strings preferably has a plurality of battery modules which are connected in series with one another. Each battery module has at least one battery cell. Each battery module preferably has a plurality of battery cells, it being possible for the battery cells within the battery module to be connected to one another both in series and in parallel.

Das Batteriesystem umfasst auch mehrere Strangschalter, wobei jedem der Batteriestränge ein separater Strangschalter zugeordnet ist. Mittels der Strangschalter sind die einzelnen Batteriestränge separat und unabhängig voneinander auf eine Sammelleitung zuschaltbar und von der Sammelleitung abschaltbar.The battery system also comprises a plurality of string switches, with a separate string switch being assigned to each of the battery strings. By means of the string switches, the individual battery strings can be connected separately and independently of one another to a collecting line and can be switched off from the collecting line.

Das Batteriesystem umfasst ferner ein Managementsystem zum Überwachen der Batteriestränge und zum Ansteuern der Strangschalter. Das Managementsystem ist zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Dazu weist das Managementsystem entsprechende Hardware, beispielsweise einen Prozessor und Speicher auf und ist über Signalleitungen mit den Strangschaltern und mit den Batteriesträngen verbunden.The battery system also includes a management system for monitoring the battery strings and for controlling the string switches. The management system is set up to carry out the method according to the invention. For this purpose, the management system has appropriate hardware, for example a processor and memory, and is connected to the string switches and to the battery strings via signal lines.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Batteriesystems eines Elektrofahrzeugs gestattet, die Batteriezellen der Batteriestränge, zumindest annähernd, vollständig zu entladen, bevor die Batteriezellen wieder geladen werden. Somit erfahren die Batteriezellen ausschließlich, zumindest annähernd, vollständige Ladungszyklen und Entladungszyklen. Teilladungszyklen, welche dann auftreten, wenn teilgeladene Batteriezellen wieder geladen werden, sind vorteilhaft vermieden. Durch die Anwendung von vollständigen Ladungszyklen erhalten die Batteriezellen, und damit auch das Batteriesystem, eine höhere Lebensdauer als dies bei der Anwendung von Teilladungszyklen der Fall wäre. Dadurch ist die Nutzungsdauer des Batteriesystems in dem Elektrofahrzeug erhöht und die Kosten des Elektrofahrzeugs sind, insbesondere bezogen auf die Lebensdauer des Elektrofahrzeugs, vorteilhaft verringert. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zum Einsatz bei Mitteltemperaturzellen mit Festkörperelektrolyt, da bei diesen Batteriezellen die Auswirkungen der Ladezyklen auf die Lebensdauer der Batteriezellen besonders signifikant sind. Ferner ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine hohe Flexibilität durch verschiedene Ausführungsformen, welche an einen Einsatz des Batteriesystems sowie an ein Verhalten eines Benutzers des Elektrofahrzeugs angepasst sind. Das erfindungsgemäße Verfahren ist neben dem mobilen Einsatz in einem Elektrofahrzeug auch für einen stationären Einsatz geeignet.The method according to the invention for operating a battery system of an electric vehicle allows the battery cells of the battery strings to be fully discharged, at least approximately, before the battery cells are recharged. The battery cells thus experience only, at least approximately, complete charge cycles and discharge cycles. Partial charge cycles, which occur when partially charged battery cells are recharged, are advantageously avoided. Through the use of full charge cycles, the battery cells, and thus also the battery system, have a longer service life than would be the case with the use of partial charge cycles. As a result, the service life of the battery system in the electric vehicle is increased and the costs of the electric vehicle are advantageously reduced, in particular with respect to the service life of the electric vehicle. The method according to the invention is particularly suitable for use in medium-temperature cells with solid electrolyte, since in these battery cells the effects of the charging cycles on the service life of the battery cells are particularly significant. Furthermore, the method according to the invention enables a high degree of flexibility through various embodiments, which are adapted to the use of the battery system and to the behavior of a user of the electric vehicle. In addition to mobile use in an electric vehicle, the method according to the invention is also suitable for stationary use.

FigurenlisteFigure list

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings and the description below.

Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines Batteriesystems mit mehreren Batteriesträngen und
  • 2 eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls mit mehreren Batteriezellen.
Show it:
  • 1 is a schematic representation of a battery system with multiple battery strings and
  • 2nd is a schematic representation of a battery module with several battery cells.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar elements are denoted by the same reference symbols, and a repeated description of these elements is dispensed with in individual cases. The figures represent the subject matter of the invention only schematically.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Batteriesystems 10 für ein Elektrofahrzeug mit mehreren, vorliegend fünf, Batteriesträngen 7. Jeder der Batteriestränge 7 des Batteriesystems 10 umfasst mehrere Batteriemodule 5, die elektrisch seriell miteinander verschaltet sind. Jedes Batteriemodul 5 umfasst mindestens eine Batteriezelle 2, vorzugsweise mehrere Batteriezellen 2. Ein Batteriesystem 10 für ein Elektrofahrzeug kann auch eine größere Anzahl von Batteriesträngen 7 umfassen. 1 shows a schematic representation of a battery system 10th for an electric vehicle with several, in the present case five, battery strings 7 . Each of the battery strings 7 of the battery system 10th includes several battery modules 5 which are electrically connected in series. Any battery module 5 comprises at least one battery cell 2nd , preferably several battery cells 2nd . A battery system 10th For an electric vehicle, a larger number of battery strings can also be used 7 include.

Eingangsseitig sind die Batteriestränge 7 elektrisch miteinander verbunden. Jedem der Batteriestränge 7 ist ein separater Strangschalter 61 zugeordnet, welcher elektrisch seriell mit dem jeweiligen Batteriestrang 7 verbunden ist. Die besagten Strangschalter 61 sind Teile einer Schalteinheit 60 des Batteriesystems 10. Die Strangschalter 61 der Schalteinheit 60 können beispielsweise als Schütz, als elektromechanisches Relais oder auch als Halbleiterschalter ausgebildet sein. The battery strings are on the input side 7 electrically connected to each other. Each of the battery strings 7 is a separate string switch 61 assigned which is electrically serial with the respective battery string 7 connected is. The said string switches 61 are parts of a switching unit 60 of the battery system 10th . The string switches 61 the switching unit 60 can be designed, for example, as a contactor, as an electromechanical relay or as a semiconductor switch.

Durch Schließen eines Strangschalters 61 wird der zugehörige Batteriestrang 7 ausgangsseitig mit einer Sammelleitung 63 elektrisch verbunden. Ein mit der Sammelleitung 63 elektrisch verbundener Batteriestrang 7 wird als zugeschaltet bezeichnet. Durch Öffnen eines Strangschalters 61 wird der zugehörige Batteriestrang 7 ausgangsseitig von der Sammelleitung 63 elektrisch getrennt. By closing a string switch 61 the associated battery string 7 on the output side with a manifold 63 electrically connected. One with the manifold 63 electrically connected battery string 7 is called switched on. By opening a string switch 61 the associated battery string 7 on the outlet side of the manifold 63 electrically isolated.

Ein von der Sammelleitung 63 elektrisch getrennter Batteriestrang 7 wird als abgeschaltet bezeichnet.One from the manifold 63 electrically isolated battery string 7 is called switched off.

Das Batteriesystem 10 umfasst ferner ein Managementsystem 20 zum Überwachen der Batteriestränge 7 und zum Ansteuern der Strangschalter 61. Das Managementsystem 20 ist mittels einer Signalleitung mit der Schalteinheit 60 verbunden. Durch Übertragung entsprechender Befehle von dem Managementsystem 20 über die Signalleitung zu der Schalteinheit 60 können die Strangschalter 61 separat geöffnet sowie geschlossen werden. Durch entsprechende Ansteuerung der Strangschalter 61 durch das Managementsystem 20 können also die Batteriestränge 7 zugeschaltet sowie abgeschaltet werden.The battery system 10th also includes a management system 20th for monitoring the battery strings 7 and to control the string switches 61 . The management system 20th is by means of a signal line with the switching unit 60 connected. By transmitting appropriate commands from the management system 20th via the signal line to the switching unit 60 can the string switch 61 can be opened and closed separately. By appropriately controlling the string switches 61 through the management system 20th so can the battery strings 7 switched on and off.

Das Managementsystem 20 ist ferner mittels hier nicht dargestellter Signalleitungen mit den Batteriesträngen 7 verbunden. Über die besagten Signalleitungen übertragen die Batteriestränge 7 Daten zu dem Managementsystem 20. Diese Daten umfassen insbesondere Meldungen bezüglich der Ladezustände (state of charge, SOC) der einzelnen Batteriezellen 2 der Batteriemodule 5 der Batteriestränge 7. Ferner überträgt die Schalteinheit 60 die aktuellen Stellungen der einzelnen Strangschalter 61 über die Signalleitung zu dem Managementsystem 20.The management system 20th is also by means of signal lines, not shown here, with the battery strings 7 connected. The battery strings transmit via said signal lines 7 Management system data 20th . This data includes, in particular, messages relating to the state of charge (SOC) of the individual battery cells 2nd the battery modules 5 the battery strings 7 . The switching unit also transmits 60 the current positions of the individual string switches 61 via the signal line to the management system 20th .

Das Batteriesystem 10 liefert insbesondere elektrische Energie zum Antrieb des Elektrofahrzeugs und ist unter anderem mit einer Leistungselektronik 23 verbunden. Die Leistungselektronik 23 ist vorliegend als Wechselrichter oder Inverter ausgestaltet. Mittels der Leistungselektronik 23 ist ein dreiphasiger Antriebsmotor 25 des Elektrofahrzeugs ansteuerbar. Der Leistungselektronik 23 ist ein Hauptschalter 65 zugeordnet.The battery system 10th supplies in particular electrical energy for driving the electric vehicle and is, among other things, with power electronics 23 connected. The power electronics 23 is designed as an inverter or inverter. By means of the power electronics 23 is a three-phase drive motor 25th controllable of the electric vehicle. The power electronics 23 is a main switch 65 assigned.

Bei geschlossenem Strangschalter 61 und geschlossenem Hauptschalter 65 fließt jeweils ein Teilstrom IT durch den betreffenden zugeschalteten Batteriestrang 7 zu der Sammelleitung 63. Von der Sammelleitung 63 fließt ein Batteriestrom IB durch die Leistungselektronik 23. Der besagte Batteriestrom IB entspricht dabei der Summe der Teilströme IT aller zugeschalteten Batteriestränge 7.With closed string switch 61 and the main switch is closed 65 a partial flow flows IT through the relevant connected battery string 7 to the manifold 63 . From the manifold 63 a battery current flows IB through the power electronics 23 . The said battery power IB corresponds to the sum of the partial flows IT of all connected battery strings 7 .

In Abhängigkeit von einer aktuellen Fahrsituation des Elektrofahrzeugs muss der Antriebsmotor 25 ein bestimmtes Drehmoment liefern, was eine bestimmte elektrische Leistung erfordert. Beispielsweise muss der Antriebsmotor 25 bei langsamer Fahrt mit geringer Geschwindigkeit ein verhältnismäßig geringes Drehmoment liefern, was eine verhältnismäßig geringe elektrische Leistung erfordert. Bei einer starken Beschleunigung muss der Antriebsmotor 25 beispielsweise ein verhältnismäßig hohes Drehmoment liefern, was eine verhältnismäßig hohe elektrische Leistung erfordert.Depending on the current driving situation of the electric vehicle, the drive motor must 25th deliver a certain torque, which requires a certain electrical power. For example, the drive motor 25th deliver a relatively low torque when driving slowly at low speed, which requires a relatively low electrical power. In the case of strong acceleration, the drive motor must 25th For example, deliver a relatively high torque, which requires a relatively high electrical power.

In Abhängigkeit von der geforderten elektrischen Leistung, welche die Leistungselektronik 23 dem Antriebsmotor 25 bereitstellt, wird ein bestimmter Batteriestrom IB von der Leistungselektronik 23 benötigt. Der benötigte Batteriestrom IB ist dabei umso größer, je höher die geforderte elektrische Leistung ist. Jeder Batteriestrang 7 kann nur einen maximal zulässigen Teilstrom IT liefern. Wenn der benötigte Batteriestrom IB größer ist als der maximal zulässige Teilstrom IT eines Batteriestrangs 7, so müssen mehrere Batteriestränge 7 zugeschaltet werden. Die Anzahl der Batteriestränge 7, die zugeschaltet werden müssen, hängt von der Größe des benötigten Batteriestroms I B ab.Depending on the electrical power required by the power electronics 23 the drive motor 25th provides a certain battery current IB from power electronics 23 needed. The required battery power IB the greater the electrical power required, the greater. Every battery string 7 can only have a maximum permissible partial flow IT deliver. If the required battery power IB is greater than the maximum permissible partial flow IT of a battery string 7 , so multiple battery strings 7 be switched on. The number of battery strings 7 that must be switched on depends on the size of the battery current IB required.

2 zeigt eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls 5 des in 1 gezeigten Batteriesystems 10. Das Batteriemodul 5 des Batteriesystems 10 weist mehrere Batteriezellen 2 auf. Die Batteriezellen 2 sind innerhalb des Batteriemoduls 5 vorliegend elektrisch seriell verschaltet. Die Batteriezellen 2 können innerhalb des Batteriemoduls 5 beispielsweise auch parallel verschaltet sein. Jede Batteriezelle 2 des Batteriemoduls 5 umfasst eine Elektrodeneinheit, welche jeweils eine Anode und eine Kathode aufweist. Die Anode der Elektrodeneinheit ist mit einem negativen Terminal der Batteriezelle 2 verbunden. Die Kathode der Elektrodeneinheit ist mit einem positiven Terminal der Batteriezelle 2 verbunden. Zur seriellen Verschaltung der Batteriezellen 2 innerhalb des Batteriemoduls 5 ist jeweils das negative Terminal einer Batteriezelle 2 mit dem positiven Terminal der benachbarten Batteriezelle 2 elektrisch verbunden. Vorliegend sind alle Batteriezellen 2 der Batteriemodule 5 identisch ausgebildet. 2nd shows a schematic representation of a battery module 5 of in 1 shown battery system 10th . The battery module 5 of the battery system 10th has multiple battery cells 2nd on. The battery cells 2nd are inside the battery module 5 in the present case electrically connected in series. The battery cells 2nd can inside the battery module 5 for example, can also be connected in parallel. Every battery cell 2nd of the battery module 5 comprises an electrode unit, each having an anode and a cathode. The anode of the electrode unit is with a negative terminal of the battery cell 2nd connected. The cathode of the electrode unit is with a positive terminal of the battery cell 2nd connected. For the serial connection of the battery cells 2nd inside the battery module 5 is the negative terminal of a battery cell 2nd with the positive terminal of the neighboring battery cell 2nd electrically connected. All battery cells are present 2nd the battery modules 5 identically trained.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.The invention is not based on the exemplary embodiments described here and those therein highlighted aspects limited. Rather, a large number of modifications are possible within the scope specified by the claims, which lie within the framework of professional action.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (11)

Verfahren zum Betrieb eines Batteriesystems (10) für ein Elektrofahrzeug, umfassend eine Mehrzahl von parallel verschaltbaren Batteriesträngen (7), wobei jeder Batteriestrang (7) mindestens ein Batteriemodul (5) aufweist, und jedes Batteriemodul (5) mindestens eine Batteriezelle (2) aufweist, und wobei die einzelnen Batteriestränge (7) separat und unabhängig voneinander auf eine Sammelleitung (63) zuschaltbar sind, wobei beim Entladen des Batteriesystems (10) nur eine ausgewählte Anzahl der Batteriestränge (7) zugeschaltet wird, so dass mindestens einer der Batteriestränge (7) ständig abgeschaltet bleibt.Claims 1. A method for operating a battery system (10) for an electric vehicle, comprising a plurality of battery strings (7) which can be connected in parallel, each battery strand (7) having at least one battery module (5), and each battery module (5) having at least one battery cell (2), and wherein the individual battery strings (7) can be connected separately and independently of one another to a collecting line (63), wherein when discharging the battery system (10) only a selected number of battery strings (7) is switched on, so that at least one of the battery strings (7) remains switched off continuously. Verfahren nach Anspruch 1, wobei wenn beim Entladen des Batteriesystems (10) einer der zugeschalteten Batteriestränge (7) entleert ist, der entleerte Batteriestrang (7) abgeschaltet wird, und ein anderer Batteriestrang (7) zugeschaltet wird, welcher mindestens teilgeladen ist.Procedure according to Claim 1 , When one of the connected battery strings (7) is empty when the battery system (10) is discharged, the empty battery branch (7) is switched off, and another battery branch (7) is connected, which is at least partially charged. Verfahren nach Anspruch 2, wobei derjenige Batteriestrang (7) zugeschaltet wird, welcher von den mindestens teilgeladen Batteriesträngen (7) am geringsten geladen ist.Procedure according to Claim 2 , The battery train (7) which is least charged of the at least partially charged battery trains (7) is switched on. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei beim Entladen des Batteriesystems (10) die Anzahl der zugeschalteten Batteriestränge (7) derart ausgewählt wird, dass die Anzahl der zugeschalteten Batteriestränge (7) einen benötigten Batteriestrom (IB) liefern kann, und dass die Anzahl der zugeschalteten Batteriestränge (7) minimal ist.Method according to one of the preceding claims, wherein when discharging the battery system (10) the number of connected battery strings (7) is selected such that the number of connected battery strings (7) can supply a required battery current (IB), and that the number of connected battery strings (7) is minimal. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei beim Entladen des Batteriesystems (10) genau ein bestimmter Batteriestrang (7) zugeschaltet bleibt, bis der bestimmte Batteriestrang (7) entleert ist.Method according to one of the preceding claims, wherein when discharging the battery system (10) exactly one specific battery string (7) remains switched on until the certain battery string (7) is empty. Verfahren nach Anspruch 5, wobei zusätzlich zu dem bestimmten Batteriestrang (7) eine Menge an Batteriesträngen (7) zugeschaltet wird, welche derart berechnet wird, dass die Anzahl der zugeschalteten Batteriestränge (7) einen benötigten Batteriestrom (IB) liefern kann.Procedure according to Claim 5 , In addition to the determined battery string (7), a quantity of battery strings (7) is switched on, which is calculated in such a way that the number of battery strings (7) connected can supply a required battery current (IB). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei beim Entladen des Batteriesystems (10) mindestens zwei bestimmte Batteriestränge (7) zugeschaltet bleiben, bis die bestimmten Batteriestränge (7) entleert sind.Procedure according to one of the Claims 1 to 4th , At least two specific battery strings (7) remain switched on when the battery system (10) is discharged until the specific battery strings (7) are empty. Verfahren nach Anspruch 7, wobei zusätzlich zu den mindestens zwei bestimmten Batteriesträngen (7) eine Menge an Batteriesträngen (7) zugeschaltet wird, welche derart berechnet wird, dass die Anzahl der zugeschalteten Batteriestränge (7) einen benötigten Batteriestrom (IB) liefern kann.Procedure according to Claim 7 , In addition to the at least two specific battery strings (7), a quantity of battery strings (7) is connected, which is calculated in such a way that the number of connected battery strings (7) can supply a required battery current (IB). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei beim Laden des Batteriesystems (10) nur eine ausgewählte Anzahl der Batteriestränge (7) zugeschaltet wird, so dass mindestens einer der Batteriestränge (7) ständig abgeschaltet bleibt.Method according to one of the preceding claims, wherein when charging the battery system (10) only a selected number of battery strings (7) is switched on, so that at least one of the battery strings (7) remains switched off continuously. Verfahren nach Anspruch 9, wobei beim Laden des Batteriesystems (10) nur entleerte Batteriestränge (7) zugeschaltet werden.Procedure according to Claim 9 , wherein only empty battery strings (7) are switched on when charging the battery system (10). Batteriesystem (10) für ein Elektrofahrzeug, umfassend eine Mehrzahl von parallel verschaltbaren Batteriesträngen (7), wobei jeder Batteriestrang (7) mindestens ein Batteriemodul (5) aufweist, und jedes Batteriemodul (5) mindestens eine Batteriezelle (2) aufweist, und wobei jedem der Batteriestränge (7) ein separater Strangschalter (61) zugeordnet ist, mittels welchen die einzelnen Batteriestränge (7) separat und unabhängig voneinander auf eine Sammelleitung (63) zuschaltbar sind, und ein Managementsystem (20) zum Überwachen der Batteriestränge (7) und zum Ansteuern der Strangschalter (61), wobei das Managementsystem (20) zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche eingerichtet ist.A battery system (10) for an electric vehicle, comprising a plurality of battery strings (7) which can be connected in parallel, each battery strand (7) having at least one battery module (5), and each battery module (5) having at least one battery cell (2), and wherein each of the battery strings (7) is assigned a separate string switch (61), by means of which the individual battery strings (7) can be connected separately and independently of one another to a collecting line (63), and a management system (20) for monitoring the battery strings (7) and for controlling the string switches (61), the management system (20) being set up to carry out the method according to one of the preceding claims.
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