Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug.

Stand der Technik

Es ist an sich bekannt, Batteriesysteme für elektrische Kraftfahrzeuge vorzusehen, die eine Antriebsbatterie mit mehreren Batterieblöcken aufweisen, die jeweils miteinander verschaltete Batteriezellen aufweisen. Diese Batterieblöcke können zur Bereitstellung einer möglichst hohen Batteriesystemspannung in Reihe geschaltet werden, wofür üblicherweise als Schütze ausgebildete Schalter verwendet werden. Derartige Batterieblöcke können so miteinander verschaltete Batteriezellen aufweisen, dass die Batterieblöcke für sich genommen z.B. jeweils 400 V Spannung bereitstellen können. Werden dann diese Batterieblöcke in Reihe geschaltet, kann die Systemspannung auf 800 V erhöht werden.

Solange die Batterieblöcke nicht in Reihe geschaltet sind, können allerdings bei einem solchen Batteriesystem unerwünscht hohe Potentialdifferenzen zwischen den Batterieblöcken insbesondere im Bereich der besagten Schütze auftreten, die zudem oftmals noch im selben Batteriegehäuse untergebracht sind.

Beschreibung der Erfindung

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, die es ermöglicht, Potentialdifferenzen zwischen miteinander verschaltbaren Batterieblöcken eines Batteriesystems möglichst gering zu halten. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Weitere mögliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren offenbart.

Das erfindungsgemäße Batteriesystem für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug umfasst eine Antriebsbatterie mit wenigstens zwei in einem Batteriegehäuse angeordneten Batterieblöcken, die jeweils miteinander verschaltete Batteriezellen aufweisen. Die Batteriezellen in den jeweiligen Batterieblöcken können insbesondere in einer ganz bestimmten Konfiguration von Parallelschaltungen und Reihenschaltungen dauerhaft unveränderlich miteinander verschaltet sein. Die Batterieblöcke können die gleiche Spannung aufweisen, beispielsweise jeweils 400 V.

Das erfindungsgemäße Batteriesystem umfasst des Weiteren eine Schaltungseinrichtung, die dazu ausgelegt ist, die Batterieblöcke in Reihenschaltung und/oder Parallelschaltung miteinander zu verschalten und diese voneinander zu trennen. Die Schaltungseinrichtung kann also die Batterieblöcke in Reihenschaltung miteinander verschalten, um so die Systemspannung der Antriebsbatterie entsprechend zu vergrößern. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass die Schaltungseinrichtung die Batterieblöcke in Parallelschaltung miteinander verschalten kann, wodurch die aufnehmbare und abgebbare Leistung der Antriebsbatterie entsprechend erhöht werden kann, wobei die Antriebsbatterie dann weiterhin dieselbe Systemspannung aufweist wie die einzelnen Batterieblöcke.

Das erfindungsgemäße Batteriesystem umfasst des Weiteren einen Überbrückungswiderstand, der einen Schalter der Schaltungseinrichtung überbrückt. Der Überbrückungswiderstand ist also in einem Zweig angeordnet, wobei der Schalter der Schaltungseinrichtung in einem anderen Zweig angeordnet ist, der parallel zum Zweig geschaltet bzw. angeordnet ist, in dem sich der Überbrückungswiderstand befindet. Die Überbrückung des Schalters kann durch den Überbrückungswiderstand insbesondere auch permanent gegeben sein, muss es aber nicht. Bei dem Überbrückungswiderstand kann es sich insbesondere um einen hochohmigen Widerstand handeln. Beispielsweise ist es möglich, dass der Überbrückungswiderstand 2 MQ aufweist.

Durch das erfindungsgemäße Batteriesystem ist es möglich, Potentialdifferenzen innerhalb der Antriebsbatterie erheblich zu reduzieren, indem der besagte Überbrückungswiderstand vorgesehen wird, der zumindest einen Schalter der Schaltungseinrichtung überbrückt. Im Stand-By-Zustand, also bei geöffnetem Schalter der Schaltungseinrichtung, sorgt der Überbrückungswiderstand dafür, dass wesentlich geringere Potentialdifferenzen über diesem Schalter auftreten als ohne Überbrückungswiderstand. Je nach konkreter Ausgestaltung des Batteriesystems und Anordnung des Überbrückungswiderstands und des Schalters, ist es beispielsweise möglich, die über diesem Schalter auftretenden Potentialdifferenzen im Vergleich zu einer herkömmlichen Lösung ohne diesen Überbrückungswiderstand zu halbieren. Somit ist es unter anderem möglich, eine Entzündungswahrscheinlichkeit bei im Fehlerfall austretenden Gasen aus dem Batteriesystem erheblich zu verringern. Ohne den Überbrückungswiderstand würden nämlich Potenzialdifferenzen im Stand-By-Zustand, also bei geöffnetem Schalter, in Höhe der maximal bereitstellbaren Systemspannung der Antriebsbatterie auftreten - also entsprechend der Reihschaltung der Batterieblöcke.

Es kann sein, dass sich bei einer herkömmlichen Anordnung im Falle einer unerwarteten Erwärmung der Luft im Bereich zwischen den Polen der verschiedenen Batterieblöcke bzw. im Bereich des Schalters ein Lichtbogen bildet, da hier die Summe der einzelnen Potentiale anliegt und somit eine höhere Spannung als in den separaten Batterieblöcken. Die Temperaturerhöhung kann beispielsweise durch eine Überhitzung einer Batteriezelle oder das Ausgasen eines elektronischen Bauteils entstehen. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist es, dass sich durch den Überbrückungswiderstand auch in diesem Bereich, insbesondere am Schalter, die Spannung reduziert, insbesondere halbiert, und somit auch in einem derartig Fehlerfall die Bildung eines Lichtbogens verzögert, insbesondere verhindert, werden kann.

Durch das Vorsehen des wenigstens einen Überbrückungswiderstands kann zudem der Bauteilstress innerhalb des Batteriesystems reduziert werden, beispielsweise indem Ladepeaks in Y-Kondensatoren reduziert werden können. Zudem kann das EMV-Verhalten (EMV für elektromagnetische Verträglichkeit) verbessert werden.

Eine mögliche Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der mittels des Überbrückungswiderstands überbrückte Schalter dazu ausgelegt ist, die Batterieblöcke in Reihenschaltung miteinander zu verschalten. Die bei geöffnetem Schalter an diesem maximal auftretende Potentialdifferenz kann durch das Vorsehen des Überbrückungswiderstands erheblich reduziert werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Schaltungseinrichtung ausschließlich dazu ausgelegt ist, die Batterieblöcke in Reihenschaltung miteinander zu verschalten, insbesondere ausschließlich über den mittels des Überbrückungswiderstands überbrückten Schalter. Dadurch ergibt sich eine besonders einfache Schaltungsanordnung innerhalb des Batteriesystems, da die Batterieblöcke lediglich getrennt oder in Reihenschaltung miteinander verschaltet werden können.

Eine alternative mögliche Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der mittels des Überbrückungswiderstands überbrückte Schalter zusammen mit einem zweiten Schalter der Schaltungseinrichtung dazu ausgelegt ist, die Batterieblöcke in Parallelschaltung miteinander zu verschalten, wobei die Schaltungseinrichtung einen dritten Schalter aufweist, der dazu ausgelegt ist, die Batterieblöcke in Reihenschaltung miteinander zu verschalten. Die drei Schalter sind dabei in jeweils unterschiedlichen Zweigen angeordnet. Mittels der insgesamt drei Schalter ist es also möglich, die Batterieblöcke einerseits in Parallelschaltung und andererseits in Reihenschaltung miteinander zu verschalten. Darüber hinaus ist es natürlich auch möglich, mittels der Schalter die Batterieblöcke vollständig elektrisch voneinander zu trennen. Durch das Überbrücken des Schalters mittels des Überbrückungswiderstands ist es möglich, die über diesem Schalter in geöffnetem Zustand abfallende bzw. auftretende Potentialdifferenz erheblich zu verringern im Vergleich zu einem Fall, in dem der Überbrückungswiderstand nicht vorgesehen wäre. Dies trägt wiederum ebenfalls dazu bei, das Batteriesystem besonders sicher zu gestalten, wobei der Bauteilstress innerhalb des Batteriesystems ebenfalls reduziert werden kann. Darüber hinaus ist es auch möglich, das EMV-Verhalten des Batteriesystems dadurch zu verbessern.

In weiterer möglicher Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der zweite Schalter mittels eines zweiten Überbrückungswiderstands überbrückt ist. Es können also beide Schalter, die dazu ausgelegt sind, gemeinsam die Batterieblöcke in Parallelschaltung miteinander zu verschalten, mittels jeweiliger Überbrückungswiderstände überbrückt sein. Dadurch können die jeweiligen über den Schaltern im geöffneten Zustand abfallenden Potentialdifferenzen nochmals reduziert werden.

Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der dritte Schalter mittels eines dritten Überbrückungswiderstands überbrückt ist. Der dritte Schalter, der dazu ausgelegt ist, die Batterieblöcke in Reihenschaltung miteinander zu verschalten, kann also ebenfalls mit einem Überbrückungswiderstand überbrückt sein. In geöffnetem Zustand des dritten Schalters ist es dadurch möglich, mittels des dritten Überbrückungswiderstands dafür zu sorgen, dass die am dritten Schalter auftretende Potentialdifferenz reduziert werden kann im Vergleich zu einem Fall, in dem der dritte Schalter nicht mittels des dritten Überbrückungswiderstands überbrückt wäre. Dies trägt ebenfalls zur Sicherheit im Fehlerfall bei, der Bauteilstress kann entsprechend reduziert werden, wobei zudem das EMV-Verhalten ebenfalls dadurch verbessert werden kann.

In weiterer möglicher Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass in zumindest einem der Zweige, in denen einer der Überbrückungswiderstände angeordnet ist, ein Schalter zum Öffnen und Schließen des Zweigs vorgesehen ist. Sind also mehrere Überbrückungswiderstände vorgesehen, können diesen jeweilige Schalter vorgeschaltet sein. So ist es möglich, im Bedarfsfall zu entscheiden, welche der Überbrückungswiderstände auch tatsächlich zum Überbrücken der jeweiligen Schalter verwendet werden sollen. Beispielsweise ist es möglich, dass alle drei Schalter mit Überbrückungswiderständen überbrückt werden können, wobei in den jeweiligen Zweigen der Überbrückungswiderstände jeweils nochmals gesonderte Schalter vorgesehen sein können, die geöffnet und geschlossen werden können, um dafür zu sorgen, dass die Überbrückungswiderstände zum Überbrücken verwendet werden oder nicht. Dadurch ergibt sich eine entsprechend erhöhte Flexibilität beim Einsatz der jeweiligen Überbrückungswiderstände.

Eine weitere mögliche Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Schaltungseinrichtung außerhalb vom Batteriegehäuse angeordnet ist. Insbesondere können der Schalter oder die Schalter der Schaltungseinrichtung außerhalb vom Batteriegehäuse angeordnet sein. Die am Schalter oder den Schaltern auftretenden Potentialdifferenzen treten dadurch nicht innerhalb des Batteriegehäuses auf, was zu einer Erhöhung der Sicherheit des Batteriesystems beitragen kann. Die Schaltungseinrichtung und deren Schalter kann bzw. können beispielsweise in einer sogenannten S-Box untergebracht sein. Unter der S-Box ist insbesondere eine Hochvolt-Schaltbox zu verstehen. Die Hochvolt-Schaltbox dient insbesondere als Schnittstelle zwischen der Antriebsbatterie und einem Traktionsbordnetz. Darüber hinaus ist es möglich, dass in der Hochvolt-Schaltbox Mess- und Steuerungselektronik verbaut ist, beispielsweise inklusive Strom- und Spannungssensoren sowie einem Batteriemanagementsystem.

Eine weitere mögliche Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Schalter oder die Schalter Schütze sind. Zumindest der Schalter oder die Schalter, die zum Parallelschalten oder in Reihe Schalten der Batterieblöcke dienen, können also als Schütze ausgebildet sein. Dadurch können besonders hohe auftretende Spannungen und elektrische Leistungen zuverlässig mittels der Schalter gehandhabt werden, die beim elektrischen Verbinden und Trennen der Batterieblöcke auftreten können. Bei dem Schütz bzw. den Schützen kann es sich sowohl um elektrische als auch um elektromagnetisch betätigte Schalter handeln.

Schließlich sieht eine weitere mögliche Ausgestaltung der Erfindung vor, dass das Batteriesystem eine Steuereinrichtung aufweist, die dazu eingerichtet ist, die Batterieblöcke zum Laden der Antriebsbatterie parallel zur Energieversorgung des Kraftfahrzeugs in Serie zu schalten. Dadurch ist es möglich, beim Laden der Antriebsbatterie mittels dieser besonders viel Leistung aufzunehmen. Wohingegen es bei der Energieversorgung des Kraftfahrzeugs mittels der Antriebsbatterie durch Serienschaltung der Batterieblöcke möglich ist, eine besonders hohe Systemspannung bereitzustellen.

In einer weiteren möglichen Ausgestaltung kann das Batteriesystem in dem Batteriegehäuse eine Mehrzahl an Batterieblöcken aufweisen. Die Schaltungseinrichtung kann eine Mehrzahl an Schaltern umfassen, wobei jeweils ein Schalter zwischen jedem der Mehrzahl von Batterieblöcken angeordnet sein kann, um die einzelnen Batterieblöcke entsprechend miteinander zu verschalten und diese voneinander zu trennen. An jedem dieser Schalter kann jeweils ein Überbrückungswiderstand angeordnet sein, der den entsprechenden Schalter überbrückt.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung können sich aus der nachfolgenden Beschreibung möglicher Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren alleine 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.

Kurze Figurenbeschreibung

Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Batteriesystems für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, umfassend zwei in einem Batteriegehäuse angeordnete Batterieblöcke, die mittels eines Schalters in Reihe geschaltet und voneinander getrennt werden können, wobei ein Überbrückungswiderstand den Schalter überbrückt; Fig. 2 eine zweite Ausführungsform des Batteriesystems, wobei noch zwei weitere Schalter vorgesehen sind, die dazu dienen, die Batterieblöcke in Parallelschaltung miteinander zu verschalten, wobei einer der zum Parallelschalten dienenden Schalter mittels eines Überbrückungswiderstands überbrückt ist;

Fig. 3 eine dritte Ausführungsform des Batteriesystems, das sich von der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform nur dadurch unterscheidet, dass der Überbrückungswiderstand an dem anderen Schalter angeordnet ist, der zum Parallelschalten der Batterieblöcke dient.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen worden.

Ein Batteriesystem 10 ist schematisch in Fig. 1 dargestellt. Das Batteriesystem 10 kann insbesondere für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug ausgelegt sein. Das Batteriesystem 10 umfasst eine Antriebsbatterie 12 mit zwei in einem Batteriegehäuse 14 angeordneten Batterieblöcken 16, 18, die jeweils miteinander verschaltet sind und hier nicht näher dargestellte Batteriezellen aufweisen. Außerhalb des Batteriegehäuses 14 und innerhalb einer Hochvolt-Schaltbox 20 ist ein Schalter 22 vorgesehen, der dazu ausgelegt ist, die Batterieblöcke 16, 18 in Reihenschaltung miteinander zu verschalten und diese auch wieder voneinander zu trennen. Abweichend von der Darstellung in dieser und den nachfolgenden Figuren kann die Hochvolt-Schaltbox 20 auch innerhalb des Batteriegehäuses 14 liegen oder auch ohne eigenes Gehäuse Teil des Batteriesystems 10 sein. Des Weiteren ist ein Überbrückungswiderstand 24 vorgesehen, der den Schalter 22 überbrückt. Neben dem Schalter 22 und dem Überbrückungswiderstand 24 sind innerhalb der Hochvolt-Schaltbox 20 noch folgende Komponenten angeordnet; ein Messwiderstand 26, zwei Isolationswiderstände 28 und zwei Kapazitäten 30.

Die Batterieblöcke 16, 18 können beispielsweise jeweils für sich genommen eine Spannung von 400 V aufweisen. Durch Schließen des Schalters 22 können die beiden Batterieblöcke 16, 18 also in Reihe geschaltet werden, wodurch die Systemspannung der Antriebsbatterie 12 auf 800 V eingestellt werden kann. Ohne das Vorsehen des Überbrückungswiderstands 24 würde bei geöffnetem Schalter 22 das maximal mögliche Potential der Antriebsbatterie 12, beim vorliegenden Zahlenbeispiel, also in Höhe von 800 V über dem Schalter 22 anfallen. Durch das Vorsehen des Überbrückungswiderstands 24 kann die maximal auftretende Potentialdifferenz über dem geöffneten Schalter 22 erheblich reduziert werden. Weist der Überbrückungswiderstand 24 beispielsweise 2 MQ Widerstand auf, so kann die maximal auftretende Potentialdifferenz über dem geöffneten Schalter 22 auf die halbe Systemspannung reduziert werden, bei vorliegendem Zahlenbeispiel also auf 400 V.

In Fig. 2 ist eine weitere mögliche Ausführungsform des Batteriesystems 10 gezeigt. Im hier gezeigten Fall sind noch zwei weitere Schalter 32, 34 vorgesehen, die zusammen dazu ausgelegt sind, die Batterieblöcke 16, 18 in Parallelschaltung miteinander zu verschalten. Im hier gezeigten Fall fungiert der Schalter 22 wiederum dazu, die Batterieblöcke 16, 18 in Reihenschaltung miteinander zu verschalten. Allerdings ist hier der Überbrückungswiderstand 24 parallel zum Schalter 32 angeordnet, überbrückt also diesen.

Wie zu erkennen, sind die drei Schalter 22, 32, 34 in jeweils unterschiedlichen Zweigen angeordnet. Sind die Schalter 32, 34 geschlossen und der Schalter 22 geöffnet, sind die Batterieblöcke 16, 18 parallel miteinander verschaltet. Sind die Schalter 32, 34 hingegen geöffnet und der Schalter 22 geschlossen, so sind die Batterieblöcke 16, 18 in Reihe miteinander verschaltet. Im hier gezeigten Fall sorgt der Überbrückungswiderstand 24 dafür, dass die über dem geöffneten Schalter 32 auftretende Potentialdifferenz reduziert werden kann gegenüber dem Fall, dass der Überbrückungswiderstand 24 nicht vorhanden wäre. Der durch den Überbrückungswiderstand 24 fließende Ruhestrom ist dabei aufgrund der Ausgestaltung der Schaltung etwas geringer als bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel.

In Fig. 3 ist eine weitere mögliche Ausgestaltung des Batteriesystems 10 gezeigt. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform lediglich durch die Anordnung des Überbrückungswiderstands 24, der im hier gezeigten Fall den Schalter 34 und nicht den Schalter 32 überbrückt.

Darüber hinaus wäre es möglich, weitere solche Überbrückungswiderstände 24 auch an den übrigen Schaltern 22, 32 vorzusehen. Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung bzw. Ausführungsform des Batteriesystems 10 kann es insbesondere vorgesehen sein, dass es sich bei den Schaltern 22, 32, 34 um Schütze handelt. In den Zweigen der jeweiligen Überbrückungswiderstände 24 können zudem noch weitere hier nicht näher dargestellte Schalter zum Öffnen und Schließen des jeweiligen Zweigs vorgesehen sein. Insbesondere wenn mehrere solcher Überbrückungswiderstände 24 vorgesehen sind, ist es über die hier nicht dargestellten weiteren Schalter in den Zweigen der Überbrückungswiderstände 24 möglich, diese je nach Bedarf gesondert zuzuschalten oder wegzuschalten. Darüber hinaus kann das Batteriesystem 10 eine hier nicht näher dargestellte Steuereinrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, die Batterieblöcke 16, 18 zum Laden der Antriebsbatterie 12 parallel und zur Energieversorgung des Kraftahrzeugs in Serie zu schalten. Durch Parallelschalten der Batterieblöcke 16, 18 ist es möglich, eine besonders hohe Leistung beim Laden aufzunehmen. Durch Serienschaltung der Batterieblöcke 16, 18 kann die Systemspannung entsprechend erhöht werden, nämlich im Vergleich zur Parallelschaltung der Batterieblöcke 16, 18 aufs Doppelte.

Durch das Vorsehen des wenigstens einen Überbrückungswiderstands 24 ist es möglich, die im Batteriesystem 10 maximal auftretende Potentialdifferenz über den entsprechenden Schaltern 22, 32 bzw. 34 entsprechend stark zu reduzieren. Dadurch kann die Sicherheit im Fehlerfall des Batteriesystems 10 erhöht werden. Darüber hinaus kann der Bauteilstress reduziert und das EMV-Verhalten verbessert werden.

BEZUGSZEICHENLISTE

10 Batteriesystem

12 Antriebsbatterie 14 Batteriegehäuse

16 Batterieblock

18 Batterieblock

20 Hochvolt-Schaltbox

22 Schalter 24 Überbrückungswiderstand

26 Messwiderstand

28 I solationswiderstand

30 Kapazität

32 Schalter 34 Schalter