DE102020127699A1

DE102020127699A1 - Verfahren zum Betreiben einer Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug sowie entsprechende Traktionsbatterie

Info

Publication number: DE102020127699A1
Application number: DE102020127699.0A
Authority: DE
Inventors: Thomas Glass; Matthias Rode
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2020-10-21
Filing date: 2020-10-21
Publication date: 2022-04-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Traktionsbatterie (2) für ein Kraftfahrzeug (1), mit einer ersten Batterieeinheit (7) und einer zweiten Batterieeinheit (8), die bei einer ersten Schalteinstellung einer Schalteranordnung (10) zwischen zwei elektrischen Anschlüssen (5, 6) der Traktionsbatterie (2) elektrisch in Reihe und bei einer zweiten Schalteinstellung der Schalteranordnung (10) elektrisch parallel an die elektrischen Anschlüsse (5, 6) angeschlossen sind. Dabei ist vorgesehen, dass bei einem Unterschreiten eines Stromgrenzwerts durch die Stromstärke eines über die elektrischen Anschlüsse (5, 6) fließenden elektrischen Stroms eine Spannung der ersten Batterieeinheit (7) mit einer Spannung der zweiten Batterieeinheit (8) verglichen wird und bei einem Überschreiten eines Differenzgrenzwerts durch eine Differenz zwischen den Spannungen die Batterieeinheiten (7, 8) elektrisch von den elektrischen Anschlüssen (5, 6) getrennt und zum Ladungsaustausch mittels der Schalteranordnung (10) elektrisch parallel geschaltet werden. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Traktionsbatterie (2) für ein Kraftfahrzeug (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug, mit einer ersten Batterieeinheit und einer zweiten Batterieeinheit, die bei einer ersten Schalteinstellung einer Schalteranordnung zwischen zwei elektrischen Anschlüssen der Traktionsbatterie elektrisch in Reihe und bei einer zweiten Schalteinstellung der Schalteranordnung elektrisch parallel an die elektrischen Anschlüsse angeschlossen sind. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug.
Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise die Druckschrift DE 10 2017 123 184 A1 bekannt. Diese beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum elektrischen Laden eines eine erste Energiespeicherbank und eine zweite Energiespeicherbank umfassenden elektrischen Energiespeichersystems. Eine anliegende Ladespannung entspricht einer Nennspannung der zumindest zwei Energiespeicherbänke. Im Energiespeichersystem sind ein erstes Schütz elektrisch parallel zur zweiten Energiespeicherbank und ein zweites Schütz elektrisch parallel zur ersten Energiespeicherbank angeordnet, und ein drittes Schütz ist zwischen der ersten Energiespeicherbank und der zweiten Energiespeicherbank angeordnet, um die erste Energiespeicherbank und die zweite Energiespeicherbank in Reihe zu schalten. Dabei wird ein Steuerparameter ermittelt, welcher eine Spannungsdifferenz zwischen der ersten Energiespeicherbank und der zweiten Energiespeicherbank repräsentiert, um die Energiespeicherbank der ersten Energiespeicherbank oder zweiten Energiespeicherbank mit einer geringeren Spannung auszuwählen. Die ausgewählte Energiespeicherbank mit der geringeren Spannung wird geladen, bis ein Betrag einer Spannungsdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Energiespeicherbank kleiner oder gleich einem Schwellenwert ist, und die erste Energiespeicherbank und die zweite Energiespeicherbank werden parallel geladen, wenn der Betrag der Spannungsdifferenz kleiner oder gleich dem Schwellenwert ist.
Weiterhin beschreibt die Druckschrift DE 10 2012 214 267 A1 Systeme und Verfahren zum Ausführen eines Zellen-Balancing an einem Batteriepaket eines Fahrzeugs. Das Zellen-Balancing regelt, welche Zellen während einer Verwendung des Batteriepakets entladen werden. Es können einzelne Zellenkapazitäten verwendet werden, um zu bestimmen, für wie lange einzelne Zellen entladen werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug vorzuschlagen, welches gegenüber bekannten Verfahren Vorteile aufweist, insbesondere einen zuverlässigen und effizienten Betrieb der Traktionsbatterie sowie des Kraftfahrzeugs ermöglicht.
Dies wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren zum Betreiben einer Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Dabei ist vorgesehen, dass bei einem Unterschreiten eines Stromgrenzwerts durch die Stromstärke eines über die elektrischen Anschlüsse fließenden elektrischen Stroms eine Spannung der ersten Batterieeinheit mit einer Spannung der zweiten Batterieeinheit verglichen wird und bei einem Überschreiten eines Differenzgrenzwerts durch eine Differenz zwischen den Spannungen die Batterieeinheiten elektrisch von den elektrischen Anschlüssen getrennt und zum Ladungsaustausch mittels der Schalteranordnung elektrisch parallel geschaltet werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Traktionsbatterie dient dem Zwischenspeichern von elektrischer Energie, die insbesondere zum Betreiben einer Antriebseinrichtung beziehungsweise eines Antriebsaggregats des Kraftfahrzeugs und somit schlussendlich zum Antreiben des Kraftfahrzeugs Verwendung findet. Die in der Traktionsbatterie zwischengespeicherte elektrische Energie wird insoweit zumindest zeitweise zum Bereitstellen eines auf das Antreiben des Kraftfahrzeugs gerichteten Antriebsdrehmoments mittels der Antriebseinrichtung beziehungsweise des Antriebsaggregats verwendet. Die Traktionsbatterie bildet bevorzugt einen Bestandteil des Kraftfahrzeugs, kann jedoch auch separat von diesem vorliegen.
Die Traktionsbatterie verfügt über die erste Batterieeinheit und die zweite Batterieeinheit. Jede der Batterieeinheiten setzt sich aus wenigstens einer Batteriezelle, vorzugsweise jedoch aus mehreren Batteriezellen, zusammen. Beispielsweise weisen die Batterieeinheiten jeweils dieselbe Anzahl an Batteriezellen auf, sodass eine Nennspannung der ersten Batterieeinheit einer Nennspannung der zweiten Batterieeinheit entspricht. Vorzugsweise sind die Nennspannung der ersten Batterieeinheit und die Nennspannung der zweiten Batterieeinheit in Summe gleich einer Nennspannung der Traktionsbatterie beziehungsweise entsprechen in Summe einer Spannung, mit welcher die Antriebseinrichtung beziehungsweise das Antriebsaggregat zumindest zeitweise betrieben wird.
Die erste Batterieeinheit und die zweite Batterieeinheit sind elektrisch an die elektrischen Anschlüsse der Traktionsbatterie angeschlossen. Entsprechend sind sie zumindest zeitweise mit den elektrischen Anschlüssen elektrisch verbunden. Bevorzugt sind die Batterieeinheiten über zumindest einen elektrischen Schalter, beispielsweise wenigsten einen Schütz oder dergleichen, an die Anschlüsse angeschlossen. In einer ersten Schalteinstellung des wenigstens einen Schalters sind die Batterieeinheiten elektrisch mit den elektrischen Anschlüssen verbunden und in einer zweiten Schalteinstellung elektrisch von ihnen getrennt.
Ebenfalls an die elektrischen Anschlüsse angeschlossen ist zumindest die Antriebseinrichtung des Kraftfahrzeugs. Zusätzlich können ein Ladeanschluss und/oder ein Bordnetz des Kraftfahrzeugs an die elektrischen Anschlüsse angeschlossen sein. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dem Kraftfahrzeug über den Ladeanschluss zumindest zeitweise elektrische Energie von einer externen Einrichtung zuzuführen. Diese elektrische Energie wird vorzugsweise zum Aufladen der Traktionsbatterie verwendet.
Die Traktionsbatterie verfügt über eine Schalteranordnung, mittels welcher die Batterieeinheiten unterschiedlich mit den elektrischen Anschlüssen verbindbar sind. So liegen die Batterieeinheiten bei der ersten Schalteinstellung der Schalteranordnung elektrisch in Reihe geschaltet zwischen den beiden elektrischen Anschlüssen vor. Bei der zweiten Schalteinstellung der Schalteranordnung sind die beiden Batterieeinheiten hingegen elektrisch parallel an die elektrischen Anschlüsse angeschlossen. Das bedeutet, dass sich die an den elektrischen Anschlüssen anliegende elektrische Spannung in der ersten Schalteinstellung aus der Summe der Nennspannungen der Batterieeinheiten ergibt, wohingegen sie in der zweiten Schalteinstellung dem Mittelwert der Nennspannungen der Batterieeinheiten entspricht.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, für ein Betreiben der Antriebseinrichtung des Kraftfahrzeugs stets die erste Schalteinstellung an der Schalteranordnung einzustellen. Bei einem Aufladen der Traktionsbatterie mit Hilfe von extern bereitgestellter Energie, die dem Kraftfahrzeug über den Ladeanschluss zugeführt wird, kann es jedoch vorgesehen sein, dass die zweite Schalteinstellung eingestellt wird. Dies ist insbesondere der Fall, falls die Spannung der von der externen Einrichtung bereitgestellten elektrischen Energie niedriger ist als die Nennspannung der Traktionsbatterie, vorzugsweise gleich der Nennspannung einer der Batterieeinheiten ist. In diesem Fall können die Batterieeinheiten durch ihre Parallelschaltung ohne Wandlerverluste aufgeladen werden.
Über die Lebensdauer der Traktionsbatterie hinweg kann es zu unterschiedlichen elektrischen Spannungen der ersten Batterieeinheit und der zweiten Batterieeinheit kommen, beispielsweise aufgrund unterschiedlicher Innenwiderstände der Batterieeinheiten, aufgrund unterschiedlicher Alterung der Batterieeinheiten oder aufgrund eines Austauschs einer oder mehrerer der Batterieeinheiten. In diesem Fall ist es notwendig, die Spannungen der Batterieeinheiten aneinander anzugleichen, um bei einem Umschalten von der ersten Schalteinstellung in die zweite Schalteinstellung der Schalteranordnung einen Ausgleichsstrom zwischen den Batterieeinheiten zu vermeiden.
Beispielsweise ist es im Falle des Aufladens der Traktionsbatterie mit extern bereitgestellter Energie in diesem Fall vorgesehen, zunächst die Batterieeinheit mit der niedrigeren Spannung aufzuladen, bis diese eine Spannung aufweist, welche der Spannung der jeweils anderen Batterieeinheit entspricht oder zumindest innerhalb gewisser Toleranzen entspricht. Diese Toleranzen betragen beispielsweise höchstens 5 %, höchstens 2,5 % oder höchstens 1 % der Nennspannung der Batterieeinheiten. Eine solche Vorgehensweise bedingt jedoch eine längere Ladedauer, da zunächst lediglich eine der Batterieeinheiten aufgeladen wird und die jeweils andere Batterieeinheit erst später hinzu geschaltet wird.
Aus diesem Grund ist es nun vorgesehen, das Ausgleichen beziehungsweise Angleichen der Spannungen der Batterieeinheiten in einem autonomen Betrieb der Traktionsbatterie vorzunehmen, während welchem ihr über die elektrischen Anschlüsse elektrische Energie weder zugeführt noch aus ihr entnommen wird. Hierzu wird die Stromstärke des über die elektrischen Anschlüsse fließenden elektrischen Stroms betrachtet. Unterschreitet die Stromstärke den Stromgrenzwert, ist also kleiner als dieser, so wird der Ladungsaustausch zwischen den Batterieeinheiten zum Angleichen der Spannungen vorgenommen. Der Stromgrenzwerts ist hierbei derart gewählt, dass sichergestellt ist, dass kein Betrieb der Antriebseinrichtung mittels der in der Traktionsbatterie zwischengespeicherten elektrischen Energie und auch kein Aufladen der Traktionsbatterie vorliegen. Beispielsweise ist der Stromgrenzwert gleich null. In anderen Worten soll der Ladungsaustausch abseits eines Aufladens und eines Entladens der Traktionsbatterie über die elektrischen Anschlüsse vorgenommen werden.
Ist die genannte Bedingung erfüllt, werden die Spannung der ersten Batterieeinheit und die Spannung der zweiten Batterieeinheit ermittelt, beispielsweise gemessen. Nachfolgend werden die beiden Spannungen miteinander verglichen. Weichen die beiden Spannungen zu weit voneinander ab, überschreitet also eine Differenz zwischen den Spannungen den Differenzgrenzwert, so soll der Ladungsaustausch vorgenommen werden. In anderen Worten erfolgt der Ladungsaustausch, sofern die Differenz zwischen den Spannungen größer ist als der Differenzgrenzwert. Für das Durchführen des Ladungsaustauschs werden die Batterieeinheiten mittels der Schalteranordnung elektrisch parallelgeschaltet, also an der Schalteranordnung die zweite Schalteinstellung eingestellt.
Im Rahmen des Ladungsaustauschs wird elektrische Energie von der die höhere Spannung aufweisenden der Batterieeinheiten zu der jeweils anderen der Batterieeinheiten transferiert. Anders ausgedrückt wird der die höhere Spannung aufweisenden der Batterieeinheiten elektrische Energie entnommen und der jeweils anderen der Batterieeinheiten zugeführt, um diese aufzuladen. Vor dem eigentlichen Ladungsaustausch werden die Batterieeinheiten von den elektrischen Anschlüssen getrennt. Hierdurch ist sichergestellt, dass der Ladungsaustausch nicht durch äußere Einflüsse, beispielsweise von der Antriebseinrichtung, dem Bordnetz und/oder extern zugeführter Energie, beeinflusst wird.
Mithilfe des beschriebenen Verfahrens wird sichergestellt, dass die Batterieeinheiten stets in einem balancierten Zustand vorliegen und so dieselbe oder zumindest nahezu dieselbe Spannung aufweisen. Entsprechend ist ein zeitaufwändiges Balancieren der Batterieeinheiten während des Aufladens mittels extern bereitgestellter Energie nicht notwendig. Vielmehr wird das Balancieren durch das Vornehmen des Ladungsaustauschs bereits beispielsweise während eines Stillstands des Kraftfahrzeugs vorgenommen, während welchem die Antriebseinrichtung nicht zum Antreiben des Kraftfahrzeugs betrieben wird, also deaktiviert ist.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zum elektrischen Trennen der Batterieeinheiten von den elektrischen Anschlüssen wenigstens ein elektrischer Schalter geöffnet wird, über den die Batterieeinheiten an die elektrischen Anschlüsse angeschlossen sind. Auf das Vorliegen eines solchen Schalters wurde bereits hingewiesen. Bevorzugt liegt zwischen jedem der elektrischen Anschlüsse und den Batterieeinheiten jeweils ein solcher elektrischer Schalter vor, sodass in geöffnetem Zustand der Schalter die Batterieeinheiten vollständig von den elektrischen Anschlüssen separiert sind.
Zur Kostenreduzierung kann es jedoch vorgesehen sein, dass lediglich ein ein höheres elektrisches Potenzial aufweisender Pol der Batterieeinheiten von den elektrischen Anschlüssen separiert wird. Der elektrische Schalter liegt beispielsweise in Form eines Schützes oder dergleichen vor. Der Schalter ist besonders bevorzugt elektrisch schaltbar. Hierzu ist er an ein Steuergerät der Traktionsbatterie angeschlossen. Die beschriebene Vorgehensweise ermöglicht das Durchführen des Ladungsaustauschs zwischen den Batterieeinheiten ohne äußere Einflüsse auf die Batterieeinheiten über die elektrischen Anschlüsse.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass als Schalteranordnung eine Schalteranordnung verwendet wird, die einen mit der ersten Batterieeinheit in Reihe und parallel zu der zweiten Batterieeinheit vorliegenden ersten elektrischen Schalter, einen mit der zweiten Batterieeinheit in Reihe und parallel zu der ersten Batterieeinheit vorliegenden zweiten elektrischen Schalter und einen zwischen den Batterieeinheiten vorliegenden dritten elektrischen Schalter aufweist. Jede der Batterieeinheiten verfügt über zwei Pole, beispielsweise einen Pluspol und einen Minuspol.
Es ist nun beispielsweise vorgesehen, dass ein erster Pol der ersten Batterieeinheit an einen ersten der elektrischen Anschlüsse angeschlossen ist, nämlich unmittelbar, also nicht über die Schalteranordnung. Es kann jedoch vorgesehen sein, dass zwischen dem ersten Pol der ersten Batterieeinheit und dem ersten elektrischen Anschluss der elektrische Schalter zum Unterbrechen der Verbindung zwischen den Batterieeinheiten und den elektrischen Anschlüssen vorliegt.
Ein zweiter Pol der ersten Batterieeinheit ist an einen ersten Pol der zweiten Batterieeinheit elektrisch angeschlossen, insbesondere über den dritten elektrischen Schalter. Der zweite Pol der zweiten Batterieeinheit ist hingegen an einen zweiten der elektrischen Anschlüsse angeschlossen, vorzugsweise wiederum unmittelbar, also nicht über die Schalteranordnung. Es kann jedoch auch hier vorgesehen sein, dass zwischen dem zweiten Pol der zweiten Batterieeinheit und dem zweiten elektrischen Anschluss der elektrische Schalter zum Unterbrechen der elektrischen Verbindung zwischen den Batterieeinheiten und den elektrischen Anschlüssen vorliegt.
Weiterhin ist es vorgesehen, dass der zweite Pol der ersten Batterieeinheit über den ersten Schalter an den zweiten elektrischen Anschluss und den zweiten Pol der zweiten Batterieeinheit angeschlossen ist. Der erste Schalter ist hierbei auf einer der ersten Batterieeinheit zugewandten Seite des dritten Schalters an den zweiten Pol der ersten Batterieeinheit angeschlossen. Der zweite Schalter liegt hingegen zwischen dem ersten Pol der zweiten Batterieanordnung und dem ersten elektrischen Anschluss sowie dem ersten Pol der ersten Batterieeinheit vor. Der zweite Schalter ist hierbei auf der der zweiten Batterieeinheit zugewandten Seite des dritten Schalters an die zweite Batterieeinheit elektrisch angeschlossen.
Hieraus ergibt sich eine Anordnung der Schalter, bei welcher der erste Schalter und der zweite Schalter jeweils in Reihe mit einer der Batterieeinheiten und parallel zu der jeweils anderen der Batterieeinheiten geschaltet sind. Der dritte elektrische Schalter liegt hingegen steht in Reihe zwischen den beiden Batterieeinheiten vor. Eine solche Ausgestaltung der Schalteranordnung ermöglicht ein einfaches Schalten der Batterieeinheiten wahlweise in Reihe und parallel zueinander.
Zum Ladungsaustausch werden die beiden Batterieeinheiten mit Hilfe der Schalteranordnung derart miteinander verschaltet, dass ein erster Pol der ersten Batterieeinheit mit einem ersten Pol der zweiten Batterieeinheit sowie ein zweiter Pol der ersten Batterieeinheit mit einem zweiten Pol der zweiten Batterieeinheit elektrisch verbunden ist. Unter den ersten Pol ist hierbei vorzugsweise ein Pluspol und unter dem zweiten Pol ein Minuspol zu verstehen.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass als erste Batterieeinheit und als zweite Batterieeinheit Batterieeinheiten verwendet werden, die die gleiche Anzahl an Batteriezellen aufweisen. Eingangs wurde bereits drauf hingewiesen, dass sich die Batterieeinheiten bevorzugt jeweils aus mehreren Batteriezellen zusammensetzen. Um im Idealfall für die Batterieeinheiten die gleichen Spannungen zu erzielen, verfügen die Batterieeinheiten über gleichviele Batteriezellen. Die Batteriezellen sind hierzu in Reihe miteinander geschaltet.
Selbstverständlich kann es auch vorgesehen sein, dass die Batteriezellen auf Zellstränge aufgeteilt sind. Jede der Batterieeinheiten weist also mehrere Zellstränge auf, welche elektrisch parallel zueinander geschaltet sind. Die Zellstränge weisen untereinander dieselbe Anzahl an Batteriezellen auf, welche innerhalb jedes Zellstrangs in Reihe geschaltet sind. Beispielsweise weist jede der Batterieeinheiten wenigstens 50, wenigstens 75 oder höchstens 100 in Reihe geschaltete Batteriezellen auf. Die Batteriezellen liegen beispielsweise in Form von Lithium Ionen-Zellen vor. Hieraus ergibt sich eine Nennspannung jeder der Batterieeinheiten von mindestens 180 V, mindestens 270 V oder mindestens 360 V. Bevorzugt sind die Batterieeinheiten derart ausgestaltet, dass ihre Nennspannung jeweils mindestens 400 V beträgt. Hieraus ergibt sich eine Traktionsbatterie mit einer Nennspannung von mindestens 800 V. Die beschriebene Vorgehensweise ermöglicht ein besonders effizientes Balancieren der Batterieeinheiten der Traktionsbatterie.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass während des Ladungsaustauschs ein Aufladen der ersten Batterieeinheit mit der zweiten Batterieeinheit entnommener elektrische Energie erfolgt, wobei das Aufladen und das Entnehmen jeweils mittels eines aktiven Balancers der jeweiligen Batterieeinheit gesteuert wird. Es wurde bereits darauf eingegangen, dass im Zuge des Ladungsaustauschs einer der Batterieeinheiten elektrische Energie entnommen und der jeweils anderen der Batterieeinheiten zugeführt wird. Die entnommene elektrische Energie wird also zum Aufladen dieser Batterieeinheit herangezogen.
Jede der Batterieeinheiten verfügt über einen aktiven Balancer, mittels welchem das Aufladen und Entladen der einzelnen Batteriezellen der Batterieeinheiten gesteuert wird. Beispielsweise ist der aktive Balancer derart ausgestaltet, dass mittels ihm jeder der Batteriezellen ein Überbrückungswiderstand parallelgeschaltet werden kann. Hierdurch wird ein zielgerichtetes Aufladen beziehungsweise Entladen der einzelnen Batteriezellen erzielt. Der zwischen den beiden Batterieeinheiten vorgenommene Ladungsaustausch ist insoweit nicht mit dem Ladungsaustausch zwischen einzelnen Batteriezellen zu verwechseln, wie er beispielsweise mittels eines aktiven Balancers vorgenommen werden kann. Die aktiven Balancer der beiden Batterieeinheiten verbessern jedoch den Ladungsaustausch zwischen den beiden Batterieeinheiten weiter.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Batterieeinheiten zum Ladungsaustausch elektrisch unmittelbar aneinander angeschlossen werden, falls die Differenz zwischen den Spannungen der Batterieeinheiten höchstens so groß ist wie ein weiterer Differenzgrenzwert. Der weitere Differenzgrenzwert ist von dem Differenzgrenzwert verschieden, insbesondere ist er größer. Während des Ladungsaustauschs fließt zwischen den Batterieeinheiten ein Ausgleichsstrom mit einer bestimmten Ausgleichsstromstärke, welche von der Differenz zwischen den Spannungen der Batterieeinheiten abhängt. Je größer die Spannungsdifferenz ist, umso größer ist die Ausgleichsstromstärke.
Um eine unzulässig große Ausgleichsstromstärke zu vermeiden, werden die Batterieeinheiten zum Ladungsaustausch lediglich dann unmittelbar aneinander angeschlossen, wenn die Differenz zwischen den Spannungen der Batterieeinheiten höchstens dem weiteren Differenzgrenzwert entsprechen, also kleiner sind als dieser. Unter dem unmittelbar aneinander Anschließen ist das Verbinden der Batterieeinheiten mittels der Schalteranordnung, insbesondere lediglich mittels der Schalteranordnung, zu verstehen. Das unmittelbare Anschließen der Batterieeinheiten aneinander hat den Vorteil, dass der Ladungsaustausch mit einer besonders hohen Effizienz erfolgt.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Parallelschalten der Batterieeinheiten zum Ladungsaustausch unterbleibt oder die Batterieeinheiten lediglich mittelbar über einen Spannungswandler aneinander angeschlossen werden, falls die Differenz zwischen den Spannungen den weiteren Differenzgrenzwert übersteigt. Ist also die Differenz zwischen den Spannungen größer als der weitere Differenzgrenzwert, so soll der Ladungsaustausch nicht vorgenommen werden, um eine zu hohe Ausgleichsstromstärke zu vermeiden. Dies dient dem Schutz der Traktionsbatterie beziehungsweise den beiden Batterieeinheiten.
Alternativ kann es vorgesehen sein, den Ladungsaustausch über den Spannungswandler vorzunehmen. Der Spannungswandler ist optional Bestandteil der Schalteranordnung. Beispielsweise liegt der Spannungswandler in einer dritten Schalteinstellung der Schalteranordnung zwischen den beiden Batterieeinheiten vor und wird zum Angleichen der Spannungen der Batterieeinheiten aneinander betrieben. Beispielsweise wird mithilfe des Spannungswandlers die Differenz zwischen den Spannungen der Batterieeinheiten so eingestellt, dass sie mindestens dem Differenzgrenzwert und höchstens dem weiteren Differenzgrenzwert entspricht.
Bevorzugt wird die dritte Schalteinstellung an der Schalteranordnung eingestellt, solange die Differenz zwischen den Spannungen der Batterieeinheiten größer ist als der weitere Differenzgrenzwert. Durch den Ladungsaustausch zwischen den Batterieeinheiten sinkt die Differenz mit der Zeit ab. Erreicht die Differenz den weiteren Differenzgrenzwert oder ist sogar kleiner als dieser, so kann von der dritten Schalteinstellung auf die zweite Schalteinstellung umgeschaltet werden, sodass nachfolgend der Ladungsaustausch unter Umgehung des Spannungswandlers und entsprechend mit einer höheren Effizienz erfolgt. Die Verwendung des Spannungswandlers hat den Vorteil, dass auch bei einer großen Differenz zwischen den Spannungen ein Ladungsausgleich zuverlässig durchgeführt werden kann.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Batterieeinheiten zum Aufladen mittels extern bereitgestellter elektrischer Energie bei einer ersten Ladespannung elektrisch parallel und bei einer höheren zweiten Ladespannung elektrisch in Reihe geschaltet werden. Die jeweilige Ladespannung liegt insbesondere an den vorstehend bereits erwähnten Ladeanschlüssen an, welche über den elektrischen Schalter beziehungsweise die elektrischen Schalter an die Batterieeinheiten angeschlossen sind.
Liegt an den Ladeanschlüssen die ersten Ladespannung vor, welche niedriger ist als die zweite Ladespannung, so werden die Batterieeinheiten elektrisch parallelgeschaltet und mit den elektrischen Anschlüssen und entsprechend den Ladeanschlüssen verbunden. Entsprechend werden die Batterieeinheiten parallel mit der niedrigeren Ladespannung geladen. Liegt hingegen die zweite Ladespannung vor, welche größer ist als die erste Ladespannung, so werden die Batterieeinheiten elektrisch in Reihe geschaltet und mit den elektrischen Anschlüssen und über diese mit den Ladeanschlüssen verbunden. In diesem Fall erfolgt das Laden der beiden Batterieeinheiten mit der höheren zweiten Ladespannung. Die beschriebene Vorgehensweise hat den Vorteil einer besonders hohen Flexibilität bei der Wahl der Ladespannung.
Eine Weiterbildung der Findung sieht vor, dass die Batterieeinheiten zum Bereitstellen von elektrischer Energie zum Betreiben einer Traktionsmaschine des Kraftfahrzeugs elektrisch in Reihe geschaltet werden. Es wurde bereits erläutert, dass die Nennspannung der Traktionsbatterie bei der Reihenschaltung der beiden Batterieeinheiten vorliegt, also der Summe der Nennspannungen der einzelnen Batterieeinheiten entspricht. Auch eine Nennspannung der Antriebseinrichtung beziehungsweise des Antriebsaggregats entspricht dieser Spannung. Aus diesem Grund werden die Batterieeinheiten elektrisch in Reihe geschaltet, solange die Traktionsbatterie zum Bereitstellen der elektrischen Energie zum Betreiben der Traktionsmaschine entladen wird. Das Betreiben der Traktionsmaschine mit der höheren Spannung hat eine besonders hohe Effizienz und und eine hohe Antriebsleistung des Kraftfahrzeugs zur Folge.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Ausführungen im Rahmen dieser Beschreibung, mit einer ersten Batterieeinheit und einer zweiten Batterieeinheit, die bei einer ersten Schalteinstellung einer Schalteranordnung zwischen zwei elektrischen Anschlüssen der Traktionsbatterie elektrisch in Reihe und bei einer zweiten Schalteinstellung der Schalteranordnung elektrisch parallel an die elektrischen Anschlüsse angeschlossen sind.
Dabei ist die Traktionsbatterie dazu vorgesehen und ausgestaltet, bei einem Unterschreiten eines Stromgrenzwerts durch die Stromstärke eines über die elektrischen Anschlüsse fließenden elektrischen Stroms eine Spannung der ersten Batterieeinheit mit einer Spannung der zweiten Batterieeinheit zu vergleichen und bei einem Überschreiten eines Differenzgrenzwerts durch eine Differenz zwischen den Spannungen die Batterieeinheiten elektrisch von den Anschlüssen zu trennen und zum Ladungsaustausch mittels der Schalteranordnung elektrisch parallel zu schalten.
Auf die Vorteile einer derartigen Vorgehensweise beziehungsweise einer derartigen Ausgestaltung der Traktionsbatterie wurde bereits eingegangen. Sowohl die Traktionsbatterie als auch das Verfahren zu ihrem Betreiben können gemäß den Ausführungen im Rahmen dieser Beschreibung weitergebildet sein, sodass insoweit auf diese verwiesen wird.
Die Erfindung betrifft selbstverständlich auch ein Kraftfahrzeug mit einer Antriebseinrichtung sowie einer Traktionsbatterie gemäß den Ausführungen im Rahmen dieser Beschreibung, wobei die Traktionsbatterie elektrisch an die Antriebseinrichtung angeschlossen ist. Auf mögliche vorteilhafte Ausgestaltungen der Traktionsbatterie und des Verfahrens zu ihrem Betreiben wurde bereits hingewiesen.
Die in der Beschreibung beschriebenen Merkmale und Merkmalskombinationen, insbesondere die in der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschriebenen und/oder in den Figuren gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen, sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungsformen als von der Erfindung umfasst anzusehen, die in der Beschreibung und/oder den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch aus den erläuterten Ausdrucksformen hervorgehen oder aus ihnen ableitbar sind.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigt die einzige

1 eine schematische Darstellung eines Bereichs eines Kraftfahrzeugs mit einer Traktionsbatterie.

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Bereichs eines Kraftfahrzeugs 1, welches eine Traktionsbatterie 2 sowie eine lediglich angedeutete Antriebseinrichtung 3 zum Antreiben des Kraftfahrzeugs aufweist. Die Antriebseinrichtung 3 ist elektrisch an die Traktionsbatterie 2 angeschlossen und wird zumindest zeitweise mit von der Traktionsbatterie 2 bereitgestellter elektrischer Energie zum Antreiben des Kraftfahrzeugs 1 betrieben. Zum Aufladen der Traktionsbatterie 2 mittels extern bereitgestellter Energie verfügt das Kraftfahrzeug 1 zudem über Ladeanschlüsse 4. Auch diese sind, elektrisch parallel zu der Antriebserrichtung 3, an die Traktionsbatterie 2 angeschlossen. Die Traktionsbatterie 2 weist hierzu zwei elektrische Anschlüsse 5 und 6 auf.
Weiterhin verfügt die Traktionsbatterie 2 über eine erste Batterieeinheit 7 und eine zweite Batterieeinheit 8. Jede der Batterieeinheiten 7 und 8 setzt sich aus mehreren Batteriezellen 9 zusammen. Die beiden Batterieeinheiten 7 und 8 sind elektrisch an die Anschlüsse 5 und 6 angeschlossen. Um eine flexible Verschaltung der Batterieeinheiten 7 und 8 zu realisieren weist die Traktionsbatterie 2 eine Schalteranordnung 10 mit einem ersten Schalter 11, einem zweiten Schalter 12 und einem dritten Schalter 13 auf. Der erste Schalter 11 ist elektrisch mit der ersten Batterieeinheit 7 zwischen den Anschlüssen 5 und 6 in Reihe geschaltet und parallel zu der zweiten Batterieeinheit 8 angeordnet.
Der zweite Schalter 12 liegt hingegen elektrisch in Reihe mit der zweiten Batterieeinheit 8 zwischen den Anschlüssen 5 und 6 vor und ist der ersten Batterieeinheit 7 parallelgeschaltet. Der dritte Schalter 13 ist hingegen elektrisch in Reihe mit beiden Batterieeinheiten 7 und 8 geschaltet. Bei einer ersten Schalteinstellung der Schalteranordnung 10 liegen die Batterieeinheiten 7 und 8 elektrisch in Reihe geschaltet vor und sind entsprechend an die Anschlüsse 5 und 6 angeschlossen. Bei einer zweiten Schalteinstellung der Schalteranordnung 10 sind sie hingegen parallelgeschaltet und entsprechend an die Anschlüsse 5 und 6 angeschlossen.
Die Batterieeinheiten 7 und 8 weisen dieselbe Nennspannung beziehungsweise Quellenspannung auf. Kommt es während eines Betriebs der Traktionsbatterie 2 zu einer Abweichung der Spannungen der Batterieeinheiten 7 und 8 voneinander, so soll ein Ladungsaustausch zwischen den Batterieeinheiten 7 und 8 durchgeführt werden, während die Traktionsbatterie 2 nicht benötigt wird. Es wird also zunächst geprüft, ob die Traktionsbatterie 2 zum Betreiben der Antriebseinrichtung 3 benötigt wird oder über den Ladeanschluss 4 aufgeladen werden soll. Ist dies nicht der Fall, ist also die Stromstärke eines über die elektrischen Anschlüsse 5 und 6 fließenden elektrischen Stroms kleiner als ein Stromgrenzwerts, so werden zunächst die Batterieeinheiten 7 und 8 von den Anschlüssen 5 und 6 elektrisch getrennt, nämlich mittels wenigstens eines elektrischen Schalters 14, in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel mittels elektrischer Schalter 14 und 15.
Nachfolgend werden die Batterieeinheiten 7 und 8 mittels der Schalteranordnung 10 parallelgeschaltet. Aufgrund der voneinander abweichenden Spannungen der Batterieeinheiten 7 und 8 stellt sich ein durch den Pfeil 16 angedeuteter Ausgleichsstrom ein. Der Ladungsaustausch wird durchgeführt, bis entweder die Spannungen der Batterieeinheiten 7 und 8 identisch oder zumindest im Wesentlichen identisch sind, insbesondere bis eine Differenz zwischen den Spannungen kleiner ist als eine Differenzgrenzwert, oder bis der Traktionsbatterie 2 elektrische Energie entnommen oder zugeführt werden soll, nämlich über die Anschlüsse 5 und 6. In anderen Worten wird der Ladungsaustausch unterbrochen, sobald die Antriebseinrichtung 3 mittels der Traktionsbatterie 2 entnommener elektrische Energie betrieben oder bis die Traktionsbatterie 2 mittels über den Ladeanschluss 4 bereitgestellter elektrischer Energie aufgeladen werden soll.
Die beschriebene Ausgestaltung des Kraftfahrzeugs 1 beziehungsweise der Traktionsbatterie 2 und das dazugehörige Verfahren zum Betreiben der Traktionsbatterie 2 haben den Vorteil, dass ein aufwändiges Angleichen der Spannungen der Batterieeinheiten 7 und 8 beispielsweise während eines Aufladens der Traktionsbatterie 2 unterbleiben kann. Vielmehr ist sichergestellt, dass die Spannungen der Batterieeinheiten 7 und 8 periodisch aneinander angeglichen werden, nämlich falls die Traktionsbatterie 2 nicht anderweitig benötigt wird. Es werden also weder das Aufladen Traktionsbatterie 2 noch das Betreiben der Antriebserrichtung 3 beeinträchtigt.
Bezugszeichenliste

1: Kraftfahrzeug
2: Traktionsbatterie
3: Antriebseinrichtung
4: Ladeanschluss
5: Anschluss
6: Anschluss
7: 1. Batterieeinheit
8: 2. Batterieeinheit
9: Batteriezelle
10: Schalteranordnung
11: 1. Schalter
12: 2. Schalter
13: 3. Schalter
14: Schalter
15: Schalter
16: Pfeil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017123184 A1 [0002]
DE 102012214267 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Traktionsbatterie (2) für ein Kraftfahrzeug (1), mit einer ersten Batterieeinheit (7) und einer zweiten Batterieeinheit (8), die bei einer ersten Schalteinstellung einer Schalteranordnung (10) zwischen zwei elektrischen Anschlüssen (5, 6) der Traktionsbatterie (2) elektrisch in Reihe und bei einer zweiten Schalteinstellung der Schalteranordnung (10) elektrisch parallel an die elektrischen Anschlüsse (5, 6) angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Unterschreiten eines Stromgrenzwerts durch die Stromstärke eines über die elektrischen Anschlüsse (5, 6) fließenden elektrischen Stroms eine Spannung der ersten Batterieeinheit (7) mit einer Spannung der zweiten Batterieeinheit (8) verglichen wird und bei einem Überschreiten eines Differenzgrenzwerts durch eine Differenz zwischen den Spannungen die Batterieeinheiten (7, 8) elektrisch von den elektrischen Anschlüssen (5, 6) getrennt und zum Ladungsaustausch mittels der Schalteranordnung (10) elektrisch parallel geschaltet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum elektrischen Trennen der Batterieeinheiten (7, 8) von den elektrischen Anschlüssen (5, 6) wenigsten ein elektrischer Schalter (14, 15) geöffnet wird, über den die Batterieeinheiten (7, 8) an die elektrischen Anschlüsse (5, 6) angeschlossen sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Schalteranordnung (10) eine Schalteranordnung (10) verwendet wird, die einen mit der ersten Batterieeinheit (7) in Reihe und parallel zu der zweiten Batterieeinheit (8) vorliegenden ersten elektrischen Schalter (11), einen mit der zweiten Batterieeinheit (8) in Reihe und parallel zu der ersten Batterieeinheit (7) vorliegenden zweiten elektrischen Schalter (12) und einen zwischen den Batterieeinheiten (7, 8) vorliegenden dritten elektrischen Schalter (13) aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als erste Batterieeinheit (7) und als zweite Batterieeinheit (8) Batterieeinheiten (7, 8) verwendet werden, die die gleiche Anzahl an Batteriezellen (9) aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Ladungsaustauschs ein Aufladen der ersten Batterieeinheit (7) mit der zweiten Batterieeinheit (8) entnommener elektrische Energie erfolgt, wobei das Aufladen und das Entnehmen jeweils mittels eines aktiven Balancers der jeweiligen Batterieeinheit (7,8) gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinheiten (7, 8) zum Ladungsaustausch elektrisch unmittelbar aneinander angeschlossen werden, falls die Differenz zwischen den Spannungen der Batterieeinheiten (7, 8) höchstens so groß ist wie ein weiterer Differenzgrenzwert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Parallelschalten der Batterieeinheiten (7, 8) zum Ladungsaustausch unterbleibt oder die Batterieeinheiten (7, 8) lediglich mittelbar über einen Spannungswandler aneinander angeschlossen werden, falls die Differenz zwischen den Spannungen den weiteren Differenzgrenzwert übersteigt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinheiten (7, 8) zum Aufladen mittels extern bereitgestellter elektrischer Energie bei einer ersten Ladespannung elektrisch parallel und bei einer höheren zweiten Ladespannung elektrisch in Reihe geschaltet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinheiten (7, 8) zum Bereitstellen von elektrischer Energie zum Betreiben einer Traktionsmaschine des Kraftfahrzeugs (1) elektrisch in Reihe geschaltet werden.
Traktionsbatterie (2) für ein Kraftfahrzeug (1), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, mit einer ersten Batterieeinheit (7) und einer zweiten Batterieeinheit (8), die bei einer ersten Schalteinstellung einer Schalteranordnung (10) zwischen zwei elektrischen Anschlüssen (5, 6) der Traktionsbatterie (2) elektrisch in Reihe und bei einer zweiten Schalteinstellung der Schalteranordnung (10) elektrisch parallel an die elektrischen Anschlüsse (5, 6) angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Traktionsbatterie (2) dazu vorgesehen und ausgestaltet ist, bei einem Unterschreiten eines Stromgrenzwerts durch die Stromstärke eines über die elektrischen Anschlüsse (5, 6) fließenden elektrischen Stroms eine Spannung der ersten Batterieeinheit (7) mit einer Spannung der zweiten Batterieeinheit (8) zu vergleichen und bei einem Überschreiten eines Differenzgrenzwerts durch eine Differenz zwischen den Spannungen die Batterieeinheiten (7, 8) elektrisch von den elektrischen Anschlüssen (5, 6) zu trennen und zum Ladungsaustausch mittels der Schalteranordnung (10) elektrisch parallel zu schalten.