DE-102024132316-A1 - Vorrichtung zur Spannungsversorgung

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung wenigstens eines Verbrauchers (C1, C2) mit einem elektrischen Nennspannungsbereich (Vn) durch wenigstens eine Reihenschaltung (20) mehrerer in Reihe geschaltete Batteriezellen (B1....B6). Die Erfindung sieht vor, dass alle in Reihe geschalteten Batteriezellen (B1....B6) einer Reihenschaltung (20) in voll geladenem Zustand in Summe eine Gesamtspannung (Vges) erzeugen, die oberhalb des Nennspannungsbereichs (Vn) des wenigstens eines Verbrauchers (C1, C2) liegt und dass durch wenigstens eine Bypassleitung (30) und mehrere Schaltelemente (S1.... S6; S11....... S16) einzelne Batteriezellen (B1....B6) oder Gruppen von Batteriezellen (B1....B6) in die Reihenschaltung (20) einschaltbar oder aus dieser herausschaltbar sind, um die Gesamtspannung (Vges) der Reihenschaltung (20) in den Nennspannungsbereich (Vn) des wenigstens eines Verbrauchers (C1, C2) zu bringen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Gesamtspannung (Vges) einer Reihenschaltung (20) in Reihe geschaltete Batteriezellen (B1....B6) in den Nennspannungsbereich (Vn) wenigstens eines Verbrauchers (C1, C2) und ein Verfahren zur Steuerung einer Ladespannung von in wenigstens einer Reihenschaltung (20) in Reihe geschalteten Batteriezellen (B1....B6).

Inventors

• Thomas Ralf Kündiger

Assignees

• BOS BALANCE OF STORAGE SYSTEMS AG

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20241106

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Spannungsversorgung wenigstens eines in einem elektrischen Nennspannungsbereich (Vn) betreibbaren Verbrauchers (C1, C2) durch wenigstens eine Reihenschaltung (20) mit mehreren in Reihe geschaltete Batteriezellen (B1....B6), dadurch gekennzeichnet , dass alle in Reihe geschalteten Batteriezellen (B1....B6) einer Reihenschaltung (20) in voll geladenem Zustand in Summe eine Gesamtspannung (Vges) erzeugen, die oberhalb des Nennspannungsbereichs (Vn) des wenigstens eines Verbrauchers (C1, C2) liegt und dass durch wenigstens eine Bypassleitung (30) und mehrere Schaltelemente (S1.... S6; S11....... S16) einzelne Batteriezellen (B1....B6) oder Gruppen von Batteriezellen (B1....B6) in die Reihenschaltung (20) einschaltbar oder aus dieser herausschaltbar sind, um die Gesamtspannung (Vges) der Reihenschaltung (20) mit dem Nennspannungsbereich (Vn) des wenigstens eines Verbrauchers (C1, C2) in Übereinstimmung zu bringen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass die Spannung der einzelnen Batteriezellen (B1....B6) oder Gruppen von Batteriezellen (B1....B6) mittels Spannungsmessern (V1.... V6) gemessen wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2 , gekennzeichnet durch ein Steuergerät (SG), welchem über wenigstens eine Messleitung (ML) die Gesamtspannung (Vges) und/oder die Werte der einzelnen Spannungsmesser (V1.... V6) und/oder der Gesamtstrom (Iges) und/oder die von den Batteriezellen (B1....B6) erzeugten Teilströme (I1....I6) als Eingangswerte zuführbar sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet , dass das Steuergerät (SG) über wenigstens eine Steuerleitung (SL1, SL2; SL3) zu deren Ansteuerung mit den Schaltelementen (S1.... S6; S11....... S16) oder einem Ladegerät (L) verbunden ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass einzelne Batteriezellen (B1....B6) oder Gruppen von Batteriezellen (B1....B6) dauerhaft in der Reihenschaltung (20) angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass zumindest ein Teil der Batteriezellen (B1....B6) von Natrium-Ionen-Batteriezellen und/oder von Zink-Mangan (Zn-Mn)-Batteriezellen und/oder von Zink-Kohlenstoff (Zn-C)-Batteriezellen gebildet wird.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Schaltelemente (S1.... S6; S11....... S16) von einem Relais, einem Transistor oder einem oder mehreren MOSFET gebildet werden.
8. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Schaltelemente (S1.... S6; S11....... S16) und/oder die Batteriezellen (B1....B6) und/oder das Steuergerät (SG) auf oder zumindest nahe einer Platine (P) angeordnet sind und über Verbinder (50; 60) oder insbesondere federnde Kontakte (70) unmittelbar mit deren Leiterbahnen in Kontakt stehen.
9. Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Gesamtspannung (Vges) einer Reihenschaltung (20) in Reihe geschalteter Batteriezellen (B1....B6) in den Nennspannungsbereich (Vn) wenigstens eines Verbrauchers (C1, C2), insbesondere unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte - Messen der Gesamtspannung (Vges) und/oder der einzelnen Spannungswerte (V1.... V6) der Batteriezellen (B1....B6) und/oder des Gesamtstroms (Iges) und/oder der von den Batteriezellen (B1....B6) erzeugten Teilströme und Zuführen dieser Messwerte zu einem Steuergerät (SG), - Programmgesteuertes Ein - und Auskoppeln wenigstens einer Batteriezelle (B1....B6) aus der Reihenschaltung (20) mittels wenigstens eines in der Reihenschaltung (20) und/oder in einer parallel zur Reihenschaltung (20) angeordneten Bypassleitung (30) angeordneten Schaltelements (S1.... S6; S11....... S16) durch das Steuergerät (SG).
10. Verfahren zur Steuerung einer Ladespannung von mehreren in wenigstens einer Reihenschaltung (20) in Reihe geschalteten Batteriezellen (B1....B6) gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte - Messen der Gesamtspannung (Vges) und/oder der einzelnen Spannungswerte (V1.... V6) der Batteriezellen (B1....B6) und/oder des Gesamtstroms (Iges) und/oder der von den Batteriezellen (B1....B6) erzeugten Teilströme (I1....I6) und Zuführen dieser Messwerte zu einem Steuergerät (SG), - Programmgesteuertes Ein - und Auskoppeln wenigstens einer Batteriezelle (B1....B6) aus der Reihenschaltung (20) mittels wenigstens eines in der Reihenschaltung (20) und/oder in einer parallel zur Reihenschaltung (20) angeordneten Bypassleitung (30) angeordneten Schaltelements (S1.... S6; S11....... S16) durch das Steuergerät (SG).

Description

TECHNISCHES GEBIET Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung wenigstens eines Verbrauchers mit einem Nennspannungsbereich durch mehrere in einer Reihenschaltung in Reihe geschaltete Batteriezellen. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Gesamtspannung einer Reihenschaltung und ein Verfahren zur Steuerung einer Ladespannung von in wenigstens einer Reihenschaltung in Reihe geschalteten Batteriezellen. Sofern in dieser Anmeldung von einem „Nennspannungsbereich“ gesprochen wird, ist damit immer ein bestimmter Wertebereich gemeint. Bei einer Nennspannung von 12 V ist damit etwa ein Wertebereich von etwa 10,5 V bis etwa 15 V gemeint. Dasselbe gilt auch für Anwendungen und Bordnetze von Fahrzeugen mit einer Nennspannung von 24 V, 36 V oder 48 V, bei denen der jeweilige Nennspannungsbereich auch von einem unteren Grenzwert und einem oberen Grenzwert begrenzt wird. Sofern in dieser Anmeldung von einer „Batteriezelle“ gesprochen wird, kann davon auch eine Gruppe von mehreren parallel geschalteten Batteriezellen umfasst sein, wobei dann die parallelgeschalteten Batteriezellen gruppenweise zu einer Reihenschaltung hintereinander geschaltet sind. STAND DER TECHNIK Derzeit werden bei Reisemobilen und Caravans für die Versorgung elektrischer Verbraucher im Wesentlichen Blei-Säurebatterien oder Lithium-Ionen-Batterien verwendet. Diese liefern unabhängig vom Ladezustand eine im Wesentlichen nur geringfügig schwankende Betriebsspannung, die den weiter oben angegebenen Wertebereich der Nennspannung üblicher Verbraucher gut abdeckt beziehungsweise wurde der übliche Nennspannungsbereich vieler Geräte an die Betriebsspannung von Blei-Säurebatterien angepasst und musste für die Verwendung von Lithium-Ionen Batterien nicht angepasst werden. Die Verwendung von Natrium-Ionen-Batteriezellen hat im Fahrzeugbereich vor allem bei Reisemobilen und Caravans einige Vorteile:• Unempfindlich gegen vollständige Entladung und Betrieb bei extrem tiefen oder hohen Temperaturen• Hohe C Raten, also das besonders schnelle Laden und Entladen, wie das Aufladen einer Caravan-Batterie in einer halben Stunde oder das kurzzeitige Betreiben von Wechselrichtern oder großen Verbraucher mit mehreren kW Leistung an kleinen Batterien. Nachteilig ist, dass die Batteriezelle einen breiten Spannungsbereich hat: Völlig entladen hat sie 0 V (ohne dabei Schaden zu nehmen) und der typische Arbeitsbereich beträgt etwa 2 V bis 4 V pro Zelle. Damit können die von Bleibatterien bekannten Nennspannungen von 12 V mit einem Arbeitsbereich von minimal etwa 10.5 V bis maximal etwa 15 V, wenn sie mit einer gewöhnlichen Reihenschaltung von Natrium-Ionen-Batteriezellen realisiert werden sollen, nicht immer den gewünschten Nennspannungsbereich abdecken. Eine Reihenschaltung von fünf derartigen Natrium-Ionen-Batteriezellen würde beispielsweise bei ca. 10 V leer und bei ca. 20 V voll sein, was nicht zum Nennspannungsbereich vieler marktüblicher 12 V -Verbraucher passt. Diese Problematik wurde im Dokument CN000115053377A schon beschrieben, wobei hier als Lösungsansatz ein DC/DC Wandler vorgeschlagen wird, der in den Batteriepack eingebaut bzw. zwischen die Batterie und die Anwendung zwischengeschaltet wird. Aus anderen Anwendungen, z.B. dem Laden einer Batterie aus PV-Modulen, ist dieser Lösungsansatz, einen DC/DC Wandler zu verwenden, um den breiten Spannungsbereich von PV- Modulen an den relativ engen Betriebsspannungsbereich anzupassen, schon als Stand der Technik bekannt, und wird zum Beispiel in sogenannten MPPT-Ladereglern so auch verwendet um die wechselnde PV-Spannung an die relativ konstante Batteriespannung anzupassen. AUFGABE Ausgehend von dem oben aufgeführten Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung wenigstens eines in einem elektrischen Nennspannungsbereich betreibbaren Verbrauchers durch wenigstens eine Reihenschaltung mit mehreren in Reihe geschaltete Batteriezellen, ein Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Gesamtspannung einer Reihenschaltung in Reihe geschalteter Batteriezellen in den Nennspannungsbereich wenigstens eines Verbrauchers und ein Verfahren zur Steuerung einer Ladespannung von mehreren in wenigstens einer Reihenschaltung in Reihe geschalteten Batteriezellen anzugeben, die mit einfachen Mitteln die Herstellung einer gewünschte Gesamtspannung in einem vorgebbaren Nennspannungsbereich ermöglicht. OFFENBARUNG DER ERFINDUNG Die Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung zur Spannungsversorgung gemäß Anspruch 1 und hinsichtlich der Verfahren durch die Merkmale der Ansprüche 9 und 10. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Was für die Vorrichtung und das Verfahren zur Spannungsversorgung zutrifft, ist ebenso in umgekehrter Weise für den Ladevorgang mehrerer eine Reihe geschalteter Batteriezellen zutreffend. Die Erfindung ist somit sowohl für das Entlademanagement einer Reihenschaltung von Batte