EP2705589A2 - Batterie mit wenigstens einem batteriemodulstrang - Google Patents

Batterie mit wenigstens einem batteriemodulstrang

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EP2705589A2
EP2705589A2 EP12718948.8A EP12718948A EP2705589A2 EP 2705589 A2 EP2705589 A2 EP 2705589A2 EP 12718948 A EP12718948 A EP 12718948A EP 2705589 A2 EP2705589 A2 EP 2705589A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
battery
battery module
terminal
module string
coupling unit
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12718948.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stephan Rees
Holger Fink
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Samsung SDI Co Ltd
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Samsung SDI Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH, Samsung SDI Co Ltd filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2705589A2 publication Critical patent/EP2705589A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery having at least one
  • Battery module string a drive system for an electric drive motor with the battery according to the invention and a motor vehicle with the
  • battery cells are connected in series. Since the power provided by such a battery must flow through all the battery cells and a battery cell can only conduct a limited current, battery cells are often additionally connected in parallel in order to increase the maximum current. This can be done either by providing multiple cell wraps within a battery cell housing or by externally interconnecting battery cells. It is, however,
  • FIG. 1 The block diagram of a conventional electric drive system, as used for example in electric and hybrid vehicles or in stationary applications such as in the rotor blade adjustment of wind turbines is shown in Figure 1.
  • a battery 10 is connected to a DC voltage connected, which by a
  • Capacitor 1 1 is buffered.
  • a pulse inverter 12 Connected to the DC voltage intermediate circuit is a pulse inverter 12, which is connected via two switchable semiconductor valves and two diodes at three outputs against each other
  • the capacitance of the capacitor 1 1 must be large enough to stabilize the voltage in the DC link for a period of time in which one of the switchable semiconductor valves is turned on. In a practical application such as an electric vehicle results in a high capacity in the range of mF. Because of the usually quite high voltage of the DC intermediate circuit such a large capacity can be realized only at high cost and with high space requirements.
  • FIG. 2 shows the battery 10 of FIG. 1 in a more detailed block diagram.
  • a large number of battery cells are connected in series as well as optionally additionally in parallel, in order to achieve a high level of power for a particular application
  • a charging and disconnecting device 16 is connected between the positive pole of the battery cells and a positive battery terminal 14.
  • a separating device 17 can additionally be connected between the negative pole of the battery cells and a negative battery terminal 15.
  • the separating and charging device 16 and the separating device 17 each include a contactor 18 or 19, which are provided, the battery cells of the battery terminals 14, 15th
  • a charging contactor 20 with a charging resistor 20 connected in series with the charging contactor 20 is provided in the charging and disconnecting device 16.
  • the charging resistor 21 limits a charging current for the capacitor 1 1 when the battery is connected to the DC link.
  • the contactor 18 is initially left open and only the charging contactor 20 is closed.
  • the contactor 18 can be closed and
  • the charging contactor 20 are opened.
  • the contactors 18, 19 and the charging contactor 20 increase the cost of a battery 10 is not insignificant because high demands are placed on their reliability and on the currents to be supplied by them.
  • a battery having at least one battery module string is introduced, in which at least one battery module string comprises a plurality of series-connected battery modules.
  • the battery is preferably one
  • Each battery module comprises at least one battery cell and a coupling unit.
  • the at least one battery cell is connected between a first input and a second input of the coupling unit.
  • the coupling unit is configured, in response to a first control signal, to switch the at least one battery cell between a first terminal of the battery module and a second terminal of the battery module and to connect the first terminal to the second terminal in response to a second control signal.
  • a center tap is arranged, with which a potential at a connection between two battery modules can be tapped.
  • the two battery modules are adjacent in the series circuit.
  • the center tap may be in a middle of the plurality of series connected ones
  • center taps may be arranged on the battery module string, with which a potential can be tapped off at a connection between in each case two battery modules.
  • each of the center taps is a pair of in the Serial circuit associated with adjacent battery modules. It is preferred that the center taps subdivide the battery module string such that each subdivision of the battery module string comprises an equal number of battery modules.
  • the battery may include a control unit configured to apply the first control signal to a first variable number of battery modules of the at least one
  • the coupling unit may have an output and be configured to connect to the first control signal either the first input or the second input to the output.
  • the output is connected to the first terminal or to the second terminal of the battery module.
  • the drive system includes a battery with a
  • Battery module string with multiple center taps and a multilevel inverter The inputs of the multilevel inverter are connected to the center taps.
  • Another aspect of the invention relates to a motor vehicle with an electric drive motor for driving the motor vehicle.
  • the electric drive motor is connected to the drive system according to the invention.
  • Figure 2 is a block diagram of a battery according to the prior art
  • Figure 3 is a coupling unit, which in a battery module string in the
  • FIG. 4 shows a first embodiment of the coupling unit
  • FIG. 5 shows a second embodiment of the coupling unit
  • Figure 6 shows the second embodiment of the coupling unit in a simple
  • FIGS. 7 and 8 show two arrangements of the coupling unit in a battery module
  • FIG. 9 shows the coupling unit shown in FIG. 6 in the arrangement shown in FIG. 7,
  • FIG. 10 shows a first embodiment of the battery according to the invention
  • Figure 1 a drive system for an electric drive motor with the battery according to the invention according to the first embodiment
  • Figure 12 shows a second embodiment of the battery according to the invention.
  • FIG. 3 shows a coupling unit 30 which can be used in a battery module string in the battery according to the invention.
  • the coupling unit 30 has two inputs 31 and 32 and an output 33 and is adapted to connect one of the inputs 31 or 32 to the output 33 and to decouple the other. In certain embodiments of the coupling unit, this can also be formed, both inputs 31, 32 from the output 33rd
  • FIG. 4 shows a first embodiment of the coupling unit 30, which has a changeover switch 34, which in principle can connect only one of the two inputs 31, 32 to the output 33, while the respective other input 31, 32 is disconnected from the output 33.
  • the changeover switch 34 can be realized particularly simply as an electromechanical switch.
  • FIG. 5 shows a second embodiment of the coupling unit 30, in which a first and a second switch 35 or 36 are provided. Each of the switches is connected between one of the inputs 31 and 32 and the output 33. In contrast to the embodiment of Figure 4, this embodiment has the advantage that both inputs 31, 32 from
  • Output 33 can be disconnected, so that the output 33 is high impedance.
  • the switches 35, 36 can be easily used as semiconductor switches such as metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) switches or
  • Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) switch can be realized.
  • Semiconductor switches have the advantage of a low price and a high switching speed, so that the coupling unit 30 can respond to a control signal or a change of the control signal within a short time and high switching rates can be achieved.
  • FIG. 6 shows the second embodiment of the coupling unit in a simple semiconductor circuit, in which each of the switches 35, 36 consists in each case of a semiconductor valve which can be switched on and off and a diode connected in parallel thereto.
  • FIGS. 7 and 8 show two arrangements of the coupling unit 30 in one
  • Battery module 40 A plurality of battery cells 41 is connected in series between the inputs of a coupling unit 30.
  • the invention is not limited to such a series connection of battery cells, it can also be provided only a single battery cell or a parallel connection or mixed-serial-parallel circuit of battery cells.
  • the output of the coupling unit 30 is connected to a first terminal 42 and the negative pole of the battery cells 41 to a second terminal 43.
  • FIG. 9 shows the coupling unit 30 shown in FIG. 6 in the arrangement shown in FIG. A control and diagnosis of the coupling units 30 via a signal line 44, which is connected to a control unit, not shown.
  • FIG. 10 shows a battery 10 according to a first embodiment of the invention, which comprises a battery module string 70.
  • the battery module string 70 consists of a plurality of series-connected battery modules 40, each having a
  • Coupling unit 30 include and as shown in Figure 7 or 8 are constructed.
  • the first terminal 42 of a battery module 40 is connected to the second terminal 43 of an adjacent battery module 40.
  • the battery module string 70 illustrated in FIG. 10 comprises six battery modules 40, which are connected between a negative pole 71 and a positive pole 72 of FIG
  • Battery module string 70 are connected. Arranged on the battery module string 70 are two center taps 73, with which a potential can be tapped off at a connection between in each case two battery modules 40 adjacent in the series connection. This means that each of the two center taps 73 is respectively connected to a first terminal 42 of a battery module 40 and to the second terminal 43 of an adjacent battery module 40.
  • the negative pole 71, the positive pole 72 and the center taps 73 of the battery module strand 70 together represent the taps of the battery 10. Because the battery modules 40 arranged between the taps each comprise coupling units 30, the output voltages which can be set at the taps are adjustable in stages.
  • the battery 10 includes a control unit, not shown, which is adapted to output to a variable number of battery modules 40, a first control signal through which the coupling units 30 of the thus controlled
  • Battery modules 40, the battery cell (or the battery cells) 41 between the first terminal 42 and the second terminal 43 of the respective battery module 40 switch.
  • the control unit outputs to the remaining battery modules 40 a second control signal, by which the coupling units 30 of these remaining battery modules 40 connect the first terminal 42 and the second terminal 43 of the respective battery module 40, whereby the battery cells 41 of this battery module 40 are bridged.
  • the first control signal is output to the two battery modules arranged between the two center taps 73 of FIG. 10
  • the voltage between the two center taps 73 assumes the maximum adjustable value.
  • the second control signal is output to the two battery modules 40, then a voltage 0 V is applied between the two center taps 73. If the first control signal is output to one of the two battery modules 40 and the second control signal is output to the other battery module, then there is between the two
  • Center taps 73 a single module voltage.
  • the voltage between two taps 71, 72, 73 of the battery 10 can thus be adjusted in stages between 0 volts and the maximum value.
  • Battery modules 40 are thus of the number of battery cells 41 in the
  • the total output voltage between the negative pole 71 and the positive pole 72 of the battery module string 70 results from the summation of all partial voltages between adjacent taps of the battery module string 71, 72, 73.
  • the center taps 73 of the battery module string 70 shown in FIG. 10 subdivide it such that each subdivision of the battery module string 70 comprises two battery modules 40.
  • Figure 1 1 shows a drive system for an electric drive motor 13 with a battery 10 according to the first embodiment of the invention and a
  • the multilevel inverter 80 has a plurality of inputs 81 and outputs 82 and is configured to output one of the potentials at each of its outputs 82, which is applied to one of its inputs 81.
  • the outputs 82 of the multilevel inverter 80 are connected to inputs of the electrical Drive motor 13 connected. Since most available electric motors are designed for operation with three phase signals, the multilevel inverter 80 preferably has exactly three outputs 82.
  • the inputs 81 of the multilevel inverter 80 are connected both to the center taps 73 and the poles 71, 72 of the battery 10 connected.
  • Control of the battery modules 40 are adjustable in stages, there are several possible combinations of the control of the battery 10 and the multilevel inverter 80, which generate an equal phase signal at the outputs 82 of the multilevel inverter 80, for example, an approximately sinusoidal AC voltage.
  • FIG. 12 shows a second embodiment of the battery according to the invention in which only one center tap 73 is arranged in a center of four battery modules 40 connected in series.

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Abstract

Es wird eine Batterie (10) mit wenigstens einem Batteriemodulstrang (70) eingeführt, bei der der wenigstens eine Batteriemodulstrang (70) eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen (40) umfasst. Jedes Batteriemodul (40) umfasst wenigstens eine Batteriezelle (41 ) und eine Koppeleinheit (30). Die wenigstens eine Batteriezelle (41 ) ist zwischen einen ersten Eingang (31 ) und einen zweiten Eingang (32) der Koppeleinheit (30) geschaltet. Die Koppeleinheit (30) ist ausgebildet, auf ein erstes Steuersignal hin die wenigstens eine Batteriezelle (41 ) zwischen ein erstes Terminal (42) des Batteriemoduls (40) und ein zweites Terminal (43) des Batteriemoduls (40) zu schalten und auf ein zweites Steuersignal hin das erste Terminal (42) mit dem zweiten Terminal (43) zu verbinden. An dem Batteriemodulstrang (70) ist ein Mittelabgriff (73) angeordnet, mit welchem ein Potential an einer Verbindung zwischen zwei Batteriemodulen (40) abgreifbar ist.

Description

Beschreibung Titel
Batterie mit wenigstens einem Batteriemodulstrang
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie mit wenigstens einem
Batteriemodulstrang, ein Antriebssystem für einen elektrischen Antriebsmotor mit der erfindungsgemäßen Batterie sowie ein Kraftfahrzeug mit dem
erfindungsgemäßen Antriebssystem.
Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, als auch bei Fahrzeugen wie Hybrid- und Elektrofahrzeugen vermehrt
Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden. Um die für eine jeweilige
Anwendung gegebenen Anforderungen an Spannung und zur Verfügung stellbare Leistung erfüllen zu können, werden eine hohe Zahl von Batteriezellen in Serie geschaltet. Da der von einer solchen Batterie bereitgestellte Strom durch alle Batteriezellen fließen muss und eine Batteriezelle nur einen begrenzten Strom leiten kann, werden oft zusätzlich Batteriezellen parallel geschaltet, um den maximalen Strom zu erhöhen. Dies kann entweder durch Vorsehen von mehreren Zellwickeln innerhalb eines Batteriezellengehäuses oder durch externes Verschalten von Batteriezellen geschehen. Dabei ist jedoch
problematisch, dass es aufgrund nicht exakt identischer Zellkapazitäten und -Spannungen zu Ausgleichsströmen zwischen den parallel geschalteten
Batteriezellen kommen kann.
Das Prinzipschaltbild eines üblichen elektrischen Antriebssystems, wie es beispielsweise in Elektro- und Hybrid-Fahrzeugen oder auch in stationären Anwendungen wie bei der Rotorblattverstellung von Windkraftanlagen zum Einsatz kommt, ist in Figur 1 dargestellt. Eine Batterie 10 ist an einen Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen, welcher durch einen
Kondensator 1 1 gepuffert wird. An den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen ist ein Pulswechselrichter 12, der über jeweils zwei schaltbare Halbleiterventile und zwei Dioden an drei Ausgängen gegeneinander
phasenversetzte Sinusspannungen für den Betrieb eines elektrischen
Antriebsmotors 13 bereitstellt. Die Kapazität des Kondensators 1 1 muss groß genug sein, um die Spannung im Gleichspannungszwischenkreis für eine Zeitdauer, in der eines der schaltbaren Halbleiterventile durchgeschaltet wird, zu stabilisieren. In einer praktischen Anwendung wie einem Elektrofahrzeug ergibt sich eine hohe Kapazität im Bereich von mF. Wegen der üblicherweise recht hohen Spannung des Gleichspannungszwischenkreises kann eine so große Kapazität nur unter hohen Kosten und mit hohem Raumbedarf realisiert werden.
Figur 2 zeigt die Batterie 10 der Figur 1 in einem detaillierteren Blockschaltbild. Eine Vielzahl von Batteriezellen sind in Serie sowie optional zusätzlich parallel geschaltet, um eine für eine jeweilige Anwendung gewünschte hohe
Ausgangsspannung und Batteriekapazität zu erreichen. Zwischen den Pluspol der Batteriezellen und ein positives Batterieterminal 14 ist eine Lade- und Trenneinrichtung 16 geschaltet. Optional kann zusätzlich zwischen den Minuspol der Batteriezellen und ein negatives Batterieterminal 15 eine Trenneinrichtung 17 geschaltet werden. Die Trenn- und Ladeeinrichtung 16 und die Trenneinrichtung 17 umfassen jeweils ein Schütz 18 beziehungsweise 19, welche dafür vorgesehen sind, die Batteriezellen von den Batterieterminals 14, 15
abzutrennen, um letztere spannungsfrei zu schalten. Aufgrund der hohen Gleichspannung der seriengeschalteten Batteriezellen ist andernfalls erhebliches Gefährdungspotential für Wartungspersonal oder dergleichen gegeben. In der Lade- und Trenneinrichtung 16 ist zusätzlich ein Ladeschütz 20 mit einem zu dem Ladeschütz 20 in Serie geschalteten Ladewiderstand 21 vorgesehen. Der Ladewiderstand 21 begrenzt einen Aufladestrom für den Kondensator 1 1 , wenn die Batterie an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen wird. Hierzu wird zunächst das Schütz 18 offen gelassen und nur das Ladeschütz 20 geschlossen. Erreicht die Spannung am positiven Batterieterminal 14 die
Spannung der Batteriezellen, kann das Schütz 18 geschlossen und
gegebenenfalls das Ladeschütz 20 geöffnet werden. Die Schütze 18, 19 und das Ladeschütz 20 erhöhen die Kosten für eine Batterie 10 nicht unerheblich, da hohe Anforderungen an ihre Zuverlässigkeit und an die von ihnen zu führenden Ströme gestellt werden.
Die Serienschaltung einer hohen Zahl von Batteriezellen bringt neben der hohen Gesamtspannung das Problem mit sich, dass die gesamte Batterie ausfällt, wenn eine einzige Batteriezelle ausfällt, weil der Batteriestrom wegen der
Serienschaltung in allen Batteriezellen fließen können muss. Ein solcher Ausfall der Batterie kann zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen. Bei einem
Elektrofahrzeug führt ein Ausfall der Antriebsbatterie zu einem so genannten
Liegenbleiber, bei anderen Vorrichtungen wie zum Beispiel der
Rotorblattverstellung bei Windkraftanlagen bei starkem Wind kann es zu
unerwünschten Situationen kommen. Daher ist eine hohe Zuverlässigkeit der
Batterie vorteilhaft. Gemäß Definition bedeutet der Begriff„Zuverlässigkeit" die
Fähigkeit eines Systems, für eine vorgegebene Zeit korrekt zu arbeiten.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird daher eine Batterie mit wenigstens einem Batteriemodulstrang eingeführt, bei der wenigstens ein Batteriemodulstrang eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen umfasst. Die Batterie ist bevorzugt eine
Lithium-Ionen-Batterie. Jedes Batteriemodul umfasst wenigstens eine Batteriezelle und eine Koppeleinheit. Die wenigstens eine Batteriezelle ist zwischen einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang der Koppeleinheit geschaltet. Die Koppeleinheit ist ausgebildet, auf ein erstes Steuersignal hin die wenigstens eine Batteriezelle zwischen ein erstes Terminal des Batteriemoduls und ein zweites Terminal des Batteriemoduls zu schalten und auf ein zweites Steuersignal hin das erste Terminal mit dem zweiten Terminal zu verbinden. An dem Batteriemodulstrang ist ein Mittelabgriff angeordnet, mit welchem ein Potential an einer Verbindung zwischen zwei Batteriemodulen abgreifbar ist. Hierbei sind die zwei Batteriemodule in der Serienschaltung benachbart.
Der Mittelabgriff kann in einer Mitte der Mehrzahl von in Serie geschalteten
Batteriemodulen angeordnet sein.
An den Batteriemodulstrang können mehrere Mittelabgriffe angeordnet sein, mit welchen ein Potential an einer Verbindung zwischen jeweils zwei Batteriemodulen abgreifbar ist. Hierbei ist jeder der Mittelabgriffe jeweils einem Paar von in der Serienschaltung benachbarten Batteriemodulen zugeordnet. Bevorzugt ist dabei, dass die Mittelabgriffe den Batteriemodulstrang derart unterteilen, dass jede Unterteilung des Batteriemodulstrangs eine gleiche Anzahl an Batteriemodulen umfasst. Die Batterie kann eine Steuereinheit umfassen, welche dazu ausgebildet ist, das erste Steuersignal an eine erste variable Anzahl von Batteriemodulen des wenigstens einen
Batteriemodulstranges und das zweite Steuersignal an die verbleibenden
Batteriemodule des wenigstens einen Batteriemodulstranges auszugeben und so eine Ausgangsspannung des wenigstens einen Batteriemodulstranges der Batterie variabel einzustellen.
Die Koppeleinheit kann einen Ausgang aufweisen und dazu ausgebildet sein, auf das erste Steuersignal hin entweder den ersten Eingang oder den zweiten Eingang mit dem Ausgang zu verbinden. Dabei ist der Ausgang mit dem ersten Terminal oder mit dem zweiten Terminal des Batteriemoduls verbunden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Antriebssystem für einen elektrischen Antriebsmotor. Das Antriebssystem umfasst eine Batterie mit einem
Batteriemodulstrang mit mehreren Mittelabgriffen und einem Multilevel-Inverter. Die Eingänge des Multilevel-Inverters sind dabei mit den Mittelabgriffen verbunden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeuges. Der elektrische Antriebsmotor ist mit dem erfindungsgemäßen Antriebssystem verbunden. Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktional gleichartige Komponenten bezeichnen. Es zeigen:
Figur 1 ein elektrisches Antriebssystem gemäß dem Stand der Technik,
Figur 2 ein Blockschaltbild einer Batterie gemäß dem Stand der Technik, Figur 3 eine Koppeleinheit, die in einem Batteriemodulstrang in der
erfindungsgemäßen Batterie einsetzbar ist, Figur 4 eine erste Ausführungsform der Koppeleinheit,
Figur 5 eine zweite Ausführungsform der Koppeleinheit,
Figur 6 die zweite Ausführungsform der Koppeleinheit in einer einfachen
Halbleiterschaltung,
Figur 7 und 8 zwei Anordnungen der Koppeleinheit in einem Batteriemodul,
Figur 9 die in Figur 6 dargestellte Koppeleinheit in der in Figur 7 dargestellten Anordnung,
Figur 10 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie,
Figur 1 1 ein Antriebssystem für einen elektrischen Antriebsmotor mit der erfindungsgemäßen Batterie gemäß der ersten Ausführungsform, und
Figur 12 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 3 zeigt eine Koppeleinheit 30, die in einem Batteriemodulstrang in der erfindungsgemäßen Batterie einsetzbar ist. Die Koppeleinheit 30 besitzt zwei Eingänge 31 und 32 sowie einen Ausgang 33 und ist dazu ausgebildet, einen der Eingänge 31 oder 32 mit dem Ausgang 33 zu verbinden und den anderen abzukoppeln. Bei bestimmten Ausführungsformen der Koppeleinheit kann diese außerdem ausgebildet sein, beide Eingänge 31 , 32 vom Ausgang 33
abzutrennen. Nicht vorgesehen ist jedoch, sowohl den Eingang 31 als auch den Eingang 32 mit dem Ausgang 33 zu verbinden.
Figur 4 zeigt eine erste Ausführungsform der Koppeleinheit 30, welche über einen Wechselschalter 34 verfügt, welcher prinzipiell nur einen der beiden Eingänge 31 , 32 mit dem Ausgang 33 verbinden kann, während der jeweils andere Eingang 31 , 32 vom Ausgang 33 abgekoppelt wird. Der Wechselschalter 34 kann besonders einfach als elektromechanischer Schalter realisiert werden. Figur 5 zeigt eine zweite Ausführungsform der Koppeleinheit 30, bei der ein erster und ein zweiter Schalter 35 beziehungsweise 36 vorgesehen sind. Jeder der Schalter ist zwischen einen der Eingänge 31 beziehungsweise 32 und den Ausgang 33 geschaltet. Im Gegensatz zu der Ausführungsform von Figur 4 bietet diese Ausführungsform den Vorteil, dass auch beide Eingänge 31 , 32 vom
Ausgang 33 abgekoppelt werden können, so dass der Ausgang 33 hochohmig wird. Zudem können die Schalter 35, 36 einfach als Halbleiterschalter wie zum Beispiel Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET)-Schalter oder
Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)-Schalter verwirklicht werden.
Halbleiterschalter haben den Vorteil eines günstigen Preises und einer hohen Schaltgeschwindigkeit, so dass die Koppeleinheit 30 innerhalb einer geringen Zeit auf ein Steuersignal beziehungsweise eine Änderung des Steuersignales reagieren kann und hohe Umschaltraten erreichbar sind.
Figur 6 zeigt die zweite Ausführungsform der Koppeleinheit in einer einfachen Halbleiterschaltung, bei welcher jeder der Schalter 35, 36 aus jeweils einem ein- und ausschaltbaren Halbleiterventil und einer zu diesem parallel geschalteten Diode besteht.
Die Figuren 7 und 8 zeigen zwei Anordnungen der Koppeleinheit 30 in einem
Batteriemodul 40. Eine Mehrzahl von Batteriezellen 41 ist zwischen die Eingänge einer Koppeleinheit 30 in Serie geschaltet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine solche Serienschaltung von Batteriezellen beschränkt, es kann auch nur eine einzelne Batteriezelle vorgesehen sein oder aber eine Parallelschaltung oder gemischt-seriell-parallele Schaltung von Batteriezellen. Im Beispiel der Figur 7 sind der Ausgang der Koppeleinheit 30 mit einem ersten Terminal 42 und der negative Pol der Batteriezellen 41 mit einem zweiten Terminal 43 verbunden. Es ist jedoch eine spiegelbildliche Anordnung wie in Figur 8 möglich, bei der der positive Pol der Batteriezellen 41 mit dem ersten Terminal 42 und der Ausgang der Koppeleinheit 30 mit dem zweiten Terminal 43 verbunden sind.
Figur 9 zeigt die in Figur 6 dargestellte Koppeleinheit 30 in der in Figur 7 dargestellten Anordnung. Eine Ansteuerung und Diagnose der Koppeleinheiten 30 erfolgt über eine Signalleitung 44, welche mit einem nicht dargestellten Steuergerät verbunden ist. Figur 10 zeigt eine Batterie 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, welche einen Batteriemodulstrang 70 umfasst. Der Batteriemodulstrang 70 besteht aus einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen 40, die jeweils eine
Koppeleinheit 30 umfassen und wie in Figur 7 oder 8 dargestellt aufgebaut sind. Bei dem Zusammensetzen von Batteriemodulen 40 zu dem Batteriemodulstrang 70 wird jeweils das erste Terminal 42 eines Batteriemoduls 40 mit dem zweiten Terminal 43 eines benachbarten Batteriemoduls 40 verbunden.
Der in Figur 10 dargestellte Batteriemodulstrang 70 umfasst sechs Batteriemodule 40, welche zwischen einem negativen Pol 71 und einem positiven Pol 72 des
Batteriemodulstrangs 70 geschaltet sind. An dem Batteriemodulstrang 70 sind zwei Mittelabgriffe 73 angeordnet, mit welchen ein Potential an einer Verbindung zwischen jeweils zwei in der Serienschaltung benachbarten Batteriemodulen 40 abgreifbar ist. Das heißt, dass jeder der beiden Mittelabgriffe 73 jeweils mit einem ersten Terminal 42 eines Batteriemoduls 40 sowie mit dem zweiten Terminal 43 eines benachbarten Batteriemoduls 40 verbunden ist.
Der Minuspol 71 , der Pluspol 72 und die Mittelabgriffe 73 des Batteriemodulstrangs 70 stellen zusammen die Abgriffe der Batterie 10 dar. Dadurch, dass die zwischen den Abgriffen angeordneten Batteriemodule 40 jeweils Koppeleinheiten 30 umfassen, sind die an den Abgriffen einstellbaren Ausgangsspannungen stufig einstellbar.
Die Batterie 10 umfasst eine nicht dargestellte Steuereinheit, welche dazu ausgebildet ist, an eine variable Anzahl von Batteriemodulen 40 ein erstes Steuersignal auszugeben, durch welches die Koppeleinheiten 30 der so angesteuerten
Batteriemodule 40 die Batteriezelle (beziehungsweise die Batteriezellen) 41 zwischen das erste Terminal 42 und das zweite Terminal 43 des jeweiligen Batteriemoduls 40 schalten. Gleichzeitig gibt die Steuereinheit an die restlichen Batteriemodule 40 ein zweites Steuersignal aus, durch welches die Koppeleinheiten 30 dieser restlichen Batteriemodule 40 das erste Terminal 42 und das zweite Terminal 43 des jeweiligen Batteriemoduls 40 verbinden, wodurch die Batteriezellen 41 dieses Batteriemoduls 40 überbrückt werden.
Durch geeignete Ansteuerung der Mehrzahl von Batteriemodulen 40 können somit an den Abgriffen 71 , 72, 73 der Batterie 10 verschiedene Spannungen ausgegeben werden. Wird beispielsweise an die zwei, zwischen den beiden Mittelabgriffen 73 der Figur 10 angeordneten Batteriemodule das erste Steuersignal ausgegeben, so nimmt die Spannung zwischen den beiden Mittelabgriffen 73 den maximal einstellbaren Wert an. Wird an die beiden Batteriemodule 40 dagegen das zweite Steuersignal ausgegeben, so wird zwischen den beiden Mittelabgriffen 73 eine Spannung 0 Volt angelegt. Wird an eins der beiden Batteriemodule 40 das erste Steuersignal und an das andere Batteriemodul das zweite Steuersignal ausgegeben, so liegt zwischen den
Mittelabgriffen 73 eine Einzelmodulspannung an.
Sind zwischen zwei benachbarten Abgriffen 71 , 72, 73 des Batteriemodulstrangs 70 mehr als zwei Batteriemodule 40 angeordnet, so liegt zwischen ihnen eine Spannung an, welche der Summe der Modulspannungen jener Batteriemodule 40 entspricht, an welche das Steuergerät das erste Steuersignal ausgibt.
Durch geeignete Wahl der Schaltzustände der Koppeleinheiten 30 kann somit die Spannung zwischen zwei Abgriffen 71 , 72, 73 der Batterie 10 stufig zwischen 0 Volt und dem Maximalwert eingestellt werden. Die Quantisierungsschritte bei der
Einstellung der Ausgangsspannung entsprechen den Modulspannungen der
Batteriemodule 40 und sind damit von der Anzahl der Batteriezellen 41 in den
Batteriemodulen 40 sowie vom Ladezustand der Batteriezellen 41 abhängig.
Die Gesamtausgangsspannung zwischen dem Minuspol 71 und dem Pluspol 72 des Batteriemodulstrangs 70 ergibt sich durch Summation aller Teilspannungen zwischen benachbarten Abgriffen des Batteriemodulstrangs 71 , 72, 73.
Die Mittelabgriffe 73 des in Figur 10 dargestellten Batteriemodulstrangs 70 unterteilen diesen derart, dass jede Unterteilung des Batteriemodulstrangs 70 zwei Batteriemodule 40 umfasst.
Figur 1 1 zeigt ein Antriebssystem für einen elektrischen Antriebsmotor 13 mit einer Batterie 10 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung und einem
Multilevel-Inverter 80. Der Multilevel-Inverter 80 weist mehrere Eingänge 81 und Ausgänge 82 auf und ist dazu ausgebildet, an jedem seiner Ausgänge 82 eins der Potentiale auszugeben, welches jeweils an einem seiner Eingänge 81 anliegt. Die Ausgänge 82 des Multilevel-Inverters 80 sind mit Eingängen des elektrischen Antriebsmotors 13 verbunden. Da die meisten verfügbaren Elektromotoren auf einen Betrieb mit drei Phasensignalen ausgelegt sind, besitzt der Multilevel-Inverter 80 bevorzugt genau drei Ausgänge 82. Die Eingänge 81 des Multilevel-Inverters 80 sind sowohl mit den Mittelabgriffen 73 als auch den Polen 71 , 72 der Batterie 10 verbunden. Dadurch, dass das Potential an jedem der Ausgänge 82 der Multilevel-Inverter 80 variabel ist und von den Potentialwerten an seinen Eingängen 81 abhängt und die an diesen Eingängen 81 anliegenden Potentialwerte wiederum durch geeignete
Ansteuerung der Batteriemodule 40 stufig einstellbar sind, gibt es mehrere mögliche Kombinationen der Ansteuerung der Batterie 10 und des Multilevel-Inverters 80, welche ein gleiches Phasensignal an den Ausgängen 82 des Multilevel-Inverters 80 erzeugen, beispielsweise eine näherungsweise sinusförmige Wechselspannung.
Figur 12 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie, in welcher lediglich ein Mittelabgriff 73 in einer Mitte von vier in Serie geschalteten Batteriemodulen 40 angeordnet ist.
Mit der beschriebenen Erfindung ist es möglich, Ausgangsspannungen einer Batterie in mehreren Teilspannungen zur Verfügung zu stellen, wobei die Gesamtspannung und die jeweiligen Teilspannungen stufig einstellbar sind und die Zuverlässigkeit gegenüber Systemen gemäß dem Stand der Technik deutlich erhöht wird.

Claims

Ansprüche
1 . Batterie (10) mit wenigstens einem Batteriemodulstrang (70), wobei der wenigstens eine Batteriemodulstrang (70) eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen (40) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Batteriemodul (40) wenigstens eine Batteriezelle (41 ) und eine Koppeleinheit (30) umfasst, wobei die wenigstens eine Batteriezelle (41 ) zwischen einen ersten Eingang (31 ) und einen zweiten Eingang (32) der Koppeleinheit (30) geschaltet und die Koppeleinheit (30) ausgebildet ist, auf ein erstes Steuersignal hin die wenigstens eine Batteriezelle (41 ) zwischen ein erstes Terminal (42) des Batteriemoduls (40) und ein zweites Terminal (43) des Batteriemoduls (40) zu schalten und auf ein zweites Steuersignal hin das erste Terminal (42) mit dem zweiten Terminal (43) zu verbinden, und wobei an dem Batteriemodulstrang (70) ein Mittelabgriff (73) angeordnet ist, mit welchem ein Potential an einer Verbindung zwischen zwei
Batteriemodulen (40) abgreifbar ist.
2. Batterie (10) nach Anspruch 1 , wobei der Mittelabgriff (73) in einer Mitte der Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen (40) angeordnet ist.
3. Batterie (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei an dem Batteriemodulstrang (70) mehrere Mittelabgriffe (73) angeordnet sind, mit welchen ein Potential an einer Verbindung zwischen jeweils zwei Batteriemodulen (40) abgreifbar ist.
4. Batterie (10) nach Anspruch 3, wobei die Mittelabgriffe (73) den
Batteriemodulstrang (70) derart unterteilen, dass jede Unterteilung des Batteriemodulstrangs (70) eine gleiche Anzahl an Batteriemodulen (40) umfasst. Batterie (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Batterie (10) eine Steuereinheit umfasst und die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, das erste Steuersignal an eine erste variable Anzahl von Batteriemodulen (40) des wenigstens einen Batteriemodulstranges (70) und das zweite Steuersignal an die verbleibenden Batteriemodule (40) des wenigstens einen Batteriemodulstranges (70) auszugeben und so eine Ausgangsspannung des wenigstens einen Batteriemodulstranges (70) der Batterie (10) variabel einzustellen.
Batterie (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die
Koppeleinheit (30) einen Ausgang (33) aufweist und dazu ausgebildet ist, auf das erste Steuersignal hin entweder den ersten Eingang (31 ) oder den zweiten Eingang (32) mit dem Ausgang (33) zu verbinden, und wobei der Ausgang (33) mit dem ersten Terminal (42) oder mit dem zweiten Terminal (43) des Batteriemoduls (40) verbunden ist.
Antriebssystem für einen elektrischen Antriebsmotor (13), wobei das
Antriebssystem eine Batterie (10) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6 und einen Multilevel-Inverter (80) umfasst und wobei Eingänge des
Multilevel-Inverters (80) mit den Mittelabgriffen (73) verbunden sind.
Ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor (13) zum Antreiben des Kraftfahrzeuges und einem mit dem elektrischen Antriebsmotor (13) verbundenen Antriebssystem gemäß Anspruch 7.
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