DE102010027856A1 - Batterie mit integriertem Pulswechselrichter - Google Patents

Batterie mit integriertem Pulswechselrichter Download PDF

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Abstract

Es wird eine Batterie (30, 40) mit wenigstens einem Batteriezellstrang (31, 41) beschrieben. Der wenigstens eine Batteriezellstrang (31, 41) weist eine Mehrzahl von zwischen einen jeweiligen positiven Batteriepol und einen jeweiligen negativen Batteriepol in Serie geschalteten Batteriezellen auf. Erfindungsgemäß umfasst die Batterie (30, 40) einen Pulswechselrichter (33, 43), welcher in die Batterie (30, 40) integriert ist und wenigstens einen ersten und einen zweiten Eingang sowie mindestens einen Ausgang aufweist, wobei der erste und der zweite Eingang mit dem positiven Batteriepol beziehungsweise dem negativen Batteriepol verbunden sind. Ferner wird ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor (13) zum Antreiben des Kraftfahrzeuges und einer mit dem elektrischen Antriebsmotor (13) verbundenen erfindungsgemäßen Batterie (30, 40) vorgeschlagen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batterie mit integriertem Pulswechselrichter und ein elektrisches Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterie.
  • 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 stellbaren 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 parallgeschalteten 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 1 dargestellt. Eine Batterie 10 ist an einen Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen, welcher durch einen Kondensator 11 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 11 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.
  • 2 zeigt die Batterie 10 der 1 in einem detaillierteren Blockschaltbild. Eine Vielzahl von Batteriezellen sind in Serie sowie optional zusätzlich parallelgeschaltet, 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 einen Schütz 18 beziehungsweise 19, welche dafür vorgesehen sind, die Batteriezellen von den Batterieterminals abzutrennen, um die Batterieterminals 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 11, wenn die Batterie an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen wird. Hierzu wird zunächst der Schütz 18 offen gelassen und nur der Ladeschütz 20 geschlossen. Erreicht die Spannung am positiven Batterieterminal 14 die Spannung der Batteriezellen, kann der Schütz 19 geschlossen und gegebenenfalls der Ladeschütz 20 geöffnet werden. Die Schütze 18, 19 und der 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.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird daher eine Batterie mit wenigstens einem Batteriezellstrang, welcher eine Mehrzahl von zwischen einen jeweiligen positiven Batteriepol und einen jeweiligen negativen Batteriepol in Serie geschalteten Batteriezellen aufweist, eingeführt. Erfindungsgemäß umfasst die Batterie einen Pulswechselrichter, welcher in die Batterie integriert ist und wenigstens einen ersten und einen zweiten Eingang sowie mindestens einen Ausgang aufweist. Dabei sind der erste und der zweite Eingang des Pulswechselrichters mit dem positiven Batteriepol beziehungsweise dem negativen Batteriepol verbunden.
  • Die Erfindung tritt somit einem Trend entgegen, den Pulswechselrichter in den elektrischen Antriebsmotor zu integrieren und so den Antriebsmotor von außen als Gleichstrommotor erscheinen zu lassen, welcher direkt mit einem Pufferkondensator und einer Batterie verbunden werden kann.
  • Die Integration des Pulswechselrichters in die Batterie besitzt den Vorteil, dass die im Stand der Technik vorgesehenen Schütze entfallen können, weil die hohe Gleichspannung des Batteriezellstranges nicht mehr von außerhalb der Batterie zugänglich ist. Anstelle des Öffnens der Schütze gemäß dem Stand der Technik kann der Ausgang des Pulswechselrichters einfach hochohmig geschaltet werden, wodurch ohne zusätzliche Komponenten der Ausgang des Pulswechselrichters und somit alle Ausgänge der Batterie spannungsfrei geschaltet werden. Da der Batteriezellstrang unlösbar mit dem Pulswechselrichter verbunden ist, wird ein eventuell vorhandener Pufferkondensator grundsätzlich die Spannung des Batteriezellstranges aufweisen, so dass auch der Ladeschütz entfallen kann. Wird ein solcher Pufferkondensator vorgesehen, so weist dieser vorzugsweise ein mit dem positiven Batteriepol verbundenes erstes Kondensatorterminal und ein mit dem negativen Batteriepol verbundenes zweites Kondensatorterminal auf und ist ebenfalls in die Batterie integriert.
  • Der Pulswechselrichter kann n Ausgänge aufweisen, wobei n eine natürliche Zahl größer 1 ist. Der Pulswechselrichter ist dabei ausgebildet, an jedem der Ausgänge eine gegenüber den jeweils anderen Ausgängen phasenverschobene Sinusspannung zu erzeugen und auszugeben. Die Zahl n beträgt vorzugsweise 3, um eine geeignete Schnittstelle zu den im Stand der Technik üblichen Drehfeldmotoren zur Verfügung zu stellen.
  • Die Batterie kann n Batteriezellstränge aufweisen, wobei der Pulswechselrichter n Paare von Eingängen aufweist, von denen jeweils ein Paar mit dem positiven beziehungsweise negativen Batteriepol eines zugeordneten der n Batteriezellstränge verbunden ist. Anstelle eines einzigen Batteriezellstranges und Gleichspannungszwischenkreises ergeben sich somit soviele Gleichspannungszwischenkreise, wie Ausgänge des Pulswechselrichters vorgesehen sind. Dies bietet den Vorteil, dass Pufferkondensatoren kleiner dimensioniert oder vollständig entfallen können. Zudem wird die Kapazität der Batterie auf mehrere unabhängige Batteriezellstränge aufgeteilt, wodurch es nicht mehr zu Ausgleichsströmen zwischen den andernfalls parallelgeschalteten Batteriezellen oder Batteriezellsträngen kommt.
  • Der Pulswechselrichter kann n erste Halbleiterventile und n zweite Halbleiterventile enthalten, wobei jeweils eines der n ersten Halbleiterventile zwischen einen zugeordneten ersten Eingang eines Paares von Eingängen und einen jeweiligen der n Ausgänge und jeweils eines der n zweiten Halbleiterventile zwischen den jeweiligen der n Ausgänge und einen zugeordneten zweiten Eingang des Paares von Eingängen geschaltet sind.
  • Die Batterie kann außerdem 2·n Dioden aufweisen, von denen jeweils eine antiparallel zu einem der n ersten oder n zweiten Halbleiterventile geschaltet ist.
  • Solche Pulswechselrichter können beispielsweise in bekannter Art durch Pulsweitenmodulation gesteuert werden.
  • Die Batterie kann eine Kühlvorrichtung aufweisen, welche ausgebildet ist, sowohl die Batteriezellen als auch den Pulswechselrichter zu kühlen. Indem der Pulswechselrichter in die Batterie integriert wird, entfällt der zusätzliche Aufwand für die Kühlung von jeweils Pulswechselrichter und Batteriezellen. Hierbei kann vorteilhaft die Kühlung des Pulswechselrichters in Reihe hinter der Kühlung der Batteriezellen erfolgen, da der Pulswechselrichter höhere Temperaturen erreichen kann als die Batteriezellen, so dass das Kühlmittel nach durchströmen der Batteriezellstränge noch kühl genug ist, um auch den Pulswechselrichter zu kühlen.
  • Ebenso ist es möglich, den Gesamtaufwand zu reduzieren, indem die Steuergeräte für die Batterie (Cell-Balancing, Auf- und Entladen, Ladestandsbestimmung) und den Pulswechselrichter (Ansteuerung der Halbleiterventile) zusammengefasst werden.
  • Besonders bevorzugt sind die Batteriezellen Lithium-Ionen-Batteriezellen. Lithium-Ionen-Batteriezellen besitzen die Vorteile einer hohen Zellspannung und einer besonders hohen Kapazität pro Volumen.
  • Ein zweiter Erfindungsaspekt betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeuges und einer mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen Batterie gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung.
  • Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein elektrisches Antriebssystem gemäß dem Stand der Technik,
  • 2 ein Blockschaltbild einer Batterie gemäß dem Stand der Technik,
  • 3 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
  • 4 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. In die Batterie 30 sind ein Batteriestrang 31, ein Pufferkondensator 32 und ein Pulswechselrichter 33 integriert, wobei eventuelle Schütze zum Abtrennen des positiven und negativen Pols des Batteriestranges entfallen sind. Der Pulswechselrichter 33 ist vorteilhaft dazu ausgebildet, alle seine Ausgänge hochohmig zu schalten, wenn beispielsweise die Batterie 30 ausgetauscht und somit von einem an den Pulswechselrichter 33 angeschlossenen Antriebsmotor oder dergleichen abgetrennt werden soll. Auf diese Weise ist die Batterie 30 von außen vollständig spannungsfrei, so dass keinerlei Gefährdungspotential gegeben ist.
  • 4 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Batterie 40 besitzt eine Mehrzahl von Batteriesträngen, im gezeigten Beispiel drei Batteriestränge 41-1, 41-2, 41-3. Die Batterie 40 könnte aber auch zwei oder mehr als drei Batteriestränge besitzen. Die Zahl von drei Batteriesträngen ist jedoch vorteilhaft, weil sie den einfachen Anschluss der Batterie 40 an standardisierte Elektromotoren mit drei Phasenanschlüssen erlaubt. Der Pulswechselrichter 43 zergliedert sich hier in ebenso viele Teile 43-1, 43-2, 43-3, wie Batteriestränge 41-1, 41-2, 41-3 vorgesehen sind. Jeweils einer der Teile 43-1, 43-2, 43-3 ist dabei mit einem Batteriestrang 41-1, 41-2, 41-3 verbunden. Aufgrund der sehr viel geringeren Belastung jedes Batteriestranges 41-1, 41-2, 41-3 durch einen Teil 43-1, 43-2, 43-3 des Pulswechselrichters 43 kann in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein Pufferkondensator entfallen. Im gezeigten Beispiel enthält jeder Teil 43-1, 43-2, 43-3 des Pulswechselrichters 43 zwei Halbleiterventile sowie zwei antiparallel zu den Halbleiterventilen geschaltete Dioden. Die Halbleiterventile werden vorzugsweise durch Pulsweitenmodulation von einer Steuereinheit gesteuert. Es können jedoch prinzipiell beliebige Formen von Pulswechselrichtern eingesetzt werden.

Claims (10)

  1. Eine Batterie (30, 40) mit wenigstens einem Batteriezellstrang (31, 41), welcher eine Mehrzahl von zwischen einen jeweiligen positiven Batteriepol und einen jeweiligen negativen Batteriepol in Serie geschalteten Batteriezellen aufweist, gekennzeichnet durch einen Pulswechselrichter (33, 43), welcher in die Batterie (30, 40) integriert ist und wenigstens einen ersten und einen zweiten Eingang sowie mindestens einen Ausgang aufweist wobei der erste und der zweite Eingang mit dem positiven Batteriepol beziehungsweise dem negativen Batteriepol verbunden sind.
  2. Die Batterie (30) gemäß Anspruch 1, mit einem Pufferkondensator (32), welcher ein mit dem positiven Batteriepol verbundenes erstes Kondensatorterminal und ein mit dem negativen Batteriepol verbundenes zweites Kondensatorterminal aufweist und in die Batterie (30) integriert
  3. Die Batterie (30, 40) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der der Pulswechselrichter (33, 43) n Ausgänge aufweist, wobei n eine natürliche Zahl größer 1 ist, und bei der der Pulswechselrichter (33, 43) ausgebildet ist, an jedem der Ausgänge eine gegenüber den jeweils anderen Ausgängen phasenverschobene Sinusspannung zu erzeugen und auszugeben.
  4. Die Batterie (40) gemäß Anspruch 3, mit n Batteriezellsträngen (41), wobei der Pulswechselrichter (43) n Paare von Eingängen aufweist, von denen jeweils ein Paar mit dem positiven beziehungsweise negativen Batteriepol eines zugeordneten der n Batteriezellstränge (41) verbunden ist.
  5. Die Batterie (40) gemäß Anspruch 4, bei der der Pulswechselrichter (43) n erste Halbleiterventile und n zweite Halbleiterventile enthält, wobei jeweils eines der n ersten Halbleiterventile zwischen einen zugeordneten ersten Eingang eines Paares von Eingängen und einen jeweiligen der n Ausgänge und jeweils eines der n zweiten Halbleiterventile zwischen den jeweiligen der n Ausgänge und einen zugeordneten zweiten Eingang des Paares von Eingängen geschaltet sind.
  6. Die Batterie (40) gemäß Anspruch 5, mit 2·n Dioden, von denen jeweils eine antiparallel zu einem der n ersten oder n zweiten Halbleiterventile geschaltet ist.
  7. Die Batterie (40) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, bei der n gleich drei ist.
  8. Die Batterie (30, 40) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Kühlvorrichtung, welche ausgebildet ist, sowohl die Batteriezellen als auch den Pulswechselrichter (33, 43) zu kühlen.
  9. Die Batterie (30, 40) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Batteriezellen Lithium-Ionen-Batteriezellen sind.
  10. Ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor (13) zum Antreiben des Kraftfahrzeuges und einer mit dem elektrischen Antriebsmotor (13) verbundenen Batterie (30, 40) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
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