DE102010041001A1

DE102010041001A1 - Batterie mit integriertem DC/AC-Umsetzer

Info

Publication number: DE102010041001A1
Application number: DE102010041001A
Authority: DE
Inventors: Stefan Butzmann
Original assignee: SB LiMotive Germany GmbH; SB LiMotive Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2010-09-20
Filing date: 2010-09-20
Publication date: 2012-03-22
Also published as: WO2012038162A1

Abstract

Es wird eine Batterie mit wenigstens einem Batteriemodulstrang (23) eingeführt. Der Batteriemodulstrang (23) enthält wenigstens ein Batteriemodul (22) mit wenigstens einer Batteriezelle (21). Erfindungsgemäß enthält das wenigstens eine Batteriemodul (22) einen DC/AC-Umsetzer (20, 30), welcher eingangsseitig mit der wenigstens einen Batteriezelle (21) und ausgangsseitig mit Ausgängen des wenigstens einen Batteriemoduls (22) verbunden ist. Der DC/AC-Umsetzer (20, 30) ist ausgebildet, aus einer Ausgangsspannung der wenigstens einen Batteriezelle (21) eine Wechselspannung zu erzeugen und an die Ausgänge des Batteriemoduls (22) auszugeben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie mit einem DC/AC-Umsetzer.
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 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 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.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird daher eine Batterie mit wenigstens einem Batteriemodulstrang eingeführt. Der Batteriemodulstrang enthält wenigstens ein Batteriemodul und das Batteriemodul wiederum wenigstens eine Batteriezelle. Das wenigstens eine Batteriemodul enthält außerdem einen DC/AC-Umsetzer, welcher eingangsseitig mit der wenigstens einen Batteriezelle und ausgangsseitig mit Ausgängen des wenigstens einen Batteriemoduls verbunden ist. Der DC/AC-Umsetzer ist ausgebildet, aus einer Ausgangsspannung der wenigstens einen Batteriezelle eine Wechselspannung zu erzeugen und an die Ausgänge des Batteriemoduls auszugeben.
Die Batterie der Erfindung bietet den Vorteil, dass aus einer mit dem Ladungszustand der Batteriezellen variierenden Eingangsspannung eine Wechselspannung mit gleichbleibenden Eigenschaften erzeugt werden kann. Die Funktion des im Stand der Technik üblichen Pulswechselrichters wird in die Batterie integriert, welche direkt mit einem Motor oder einer sonstigen elektrischen Anordnung, welche auf den Betrieb mit einer Wechselspannung ausgelegt ist, angeschlossen werden kann. Ein Pufferkondensator kann gemeinsam mit dem Gleichspannungszwischenkreis entfallen.
Der DC/AC-Umsetzer kann nach Art eines DC/DC-Umsetzers ausgeführt sein, seine Ausgangsspannung wird jedoch entsprechend einer gewünschten Ausgangsspannungswellenform gesteuert beziehungsweise geregelt. Der DC/AC-Umsetzer kann demzufolge beispielsweise als Buck-Konverter, Boost-Konverter, Buck-Boost-Konverter oder sonstiger nicht-isolierender DC/DC-Umsetzer ausgeführt werden. Es können jedoch auch isolierende DC/DC-Umsetzer verwendet werden wie beispielsweise Flyback-, Half-Bridge- oder Full-Bridge-Konverter sowie Resonanzwandler.
Bevorzugt weist der wenigstens eine Batteriemodulstrang eine Mehrzahl von Batteriemodulen auf, welche ausgangsseitig in Serie geschaltet sind. Dadurch wird beispielsweise ein Cell-Balancing möglich, indem die einzelnen Batteriemodule des Batteriemodulstranges abhängig von ihrem Ladungszustand unterschiedlich stark an der Erzeugung der Ausgangsspannung des Batteriemodulstranges teilnehmen. So kann ein Batteriemodul, dessen wenigstens eine Batteriezelle einen verhältnismäßig geringeren Ladungszustand aufweist, nur eine geringere Batteriemodulspannung erzeugen und so gegenüber anderen Batteriemodulen desselben Batteriemodulstranges entlastet werden. Umgekehrt ist es natürlich auch möglich, dass ein Batteriemodul, dessen wenigstens eine Batteriezelle einen verhältnismäßig höheren Ladungszustand aufweist, eine höhere Batteriemodulspannung erzeugt und so einen höheren Beitrag zur Erzeugung der Ausgangsspannung des Batteriemodulstranges leistet. Wie im Stand der Technik können dabei Mittel zur Bestimmung eines Ladungszustandes von Batteriezellen vorgesehen sein, um die Ladungszustände der Batteriezellen der Batteriemodule zu bestimmen.
Besonders bevorzugt sind die Batteriemodule ausgebildet, auf ein Steuersignal hin einen ersten Ausgang des Batteriemoduls mit einem zweiten Ausgang des Batteriemoduls leitend zu verbinden. Dadurch kann ein Batteriemodul ausgangsseitig überbrückt und deaktiviert werden. Diese Eigenschaft der Batteriemodule dieser Ausführungsform der Erfindung kann im Rahmen des bereits beschriebenen Cell-Balancings genutzt werden. Außerdem erlaubt sie die Deaktivierung eines Batteriemoduls, das eine defekte Batteriezelle aufweist, so dass trotz des Ausfalls eines Batteriemoduls nicht die gesamte Batterie funktionsunfähig wird.
Das wenigstens eine Batteriemodul kann eine Mehrzahl von Batteriezellen aufweisen, welche zwischen einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang des DC/AC-Umsetzers in Serie geschaltet sind. Im Extremfall kann ein DC/AC-Umsetzer pro Batteriezelle des Batteriemodulstranges vorgesehen sein, was jedoch einen hohen Schaltungsaufwand bedeutet. Deshalb werden als Kompromiss zwischen Schaltungsaufwand und optimaler Granularität bei der Ansteuerung der einzelnen Batteriezellen bevorzugt mehrere Batteriezellen in einem Batteriemodul in Serie geschaltet.
Der DC/AC-Umsetzer ist bevorzugt ausgebildet, eine sinusförmige Wechselspannung zu erzeugen. Eine sinusförmige Wechselspannung weist keine oder wenigstens nur geringe Oberschwingungen auf, welche in einer praktischen Anwendung die Leitungsverluste erhöhen und Probleme hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit mit sich bringen würden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der DC/AC-Umsetzer ausgebildet, die Wechselspannung mit einer veränderlich vorgebbaren Frequenz zu erzeugen. Diese Ausführungsform der Erfindung kann besonders vorteilhaft beispielsweise zur Drehzahlkontrolle eines an die Batterie angeschlossenen Elektromotors wie des Antriebsmotors eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges eingesetzt werden.
Die Batterie besitzt vorzugsweise drei Batteriemodulstränge, welche ausgebildet sind, eine gegenüber den jeweils anderen Batteriemodulsträngen phasenversetzte Wechselspannung zu erzeugen. Die Phasendifferenz zwischen der phasenversetzten Wechselspannung beträgt dabei vorzugsweise jeweils 120°. Die Batterie dieser Ausführungsform der Erfindung kann ohne weitere Schaltmaßnahmen zur Bereitstellung eines so genannten 3-Phasen-Netzes und zum direkten Anschluss an einen dreiphasigen Elektromotor verwendet werden.
Die Batterie kann jedoch alternativ auch nur zwei Batteriemodulstränge aufweisen, bei denen die DC/AC-Umsetzer ausgebildet sind, eine bipolare Wechselspannung zu erzeugen. Bei dieser Variante der erfindungsgemäßen Batterie kann ein dreiphasiger Elektromotor an die Batterie angeschlossen werden, wobei ein dritter Anschluss des Elektromotors mit Masse verbunden wird.
Die wenigstens eine Batteriezelle ist bevorzugt eine Lithium-Ionen-Batteriezelle. Lithium-Ionen-Batteriezellen besitzen die Vorteile einer hohen Zellspannung und einer hohen Kapazität in einem gegebenen Volumen.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeuges und einer mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen Batterie gemäß dem vorhergehenden Erfindungsaspekt.
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 elektrisches Antriebssystem mit einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
3 ein elektrisches Antriebssystem mit einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
4 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
5 ein elektrisches Antriebssystem mit einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
2 zeigt ein elektrisches Antriebssystem mit einem ersten Ausführungsbeispiel 20-1, 20-2, 20-3 der Erfindung. Die 2 zeigt drei Batterien, welche ausgangsseitig mit jeweils einem zugeordneten Anschluss eines dreiphasigen Antriebsmotors 13 verbunden sind. Die erfindungsgemäßen Batterien enthalten im gezeigten Beispiel jeweils ein Batteriemodul 22-1, 22-2, 22-3 mit einer oder mehreren Batteriezellen 21-1, 21-2, 21-3 und einem DC/AC-Umsetzer 20-1, 20-2 beziehungsweise 20-3. Sind mehrere Batteriezellen 21 pro Batteriemodul vorgesehen, können sie in Serie und/oder parallel verschaltet werden. Es ist jedoch auch möglich, nur eine Batteriezelle 21 pro Batteriemodul 22 vorzusehen. Die DC/AC-Umsetzer 20-1, 20-2, 20-3 setzen die von den Batteriezellen 21-1, 21-2, 21-3 jeweils erzeugte und mit deren Ladungszustand variierende Gleichspannung in eine Wechselspannung möglichst konstanter Amplitude um. Bevorzugt erzeugen die DC/AC-Umsetzer 20-1, 20-2, 20-3 dabei sinusförmige Wechselspannungen. In dem Anwendungsbeispiel der 2 wird ein elektrischer Antriebsmotor 13, welcher beispielhaft dreiphasig ausgelegt ist, direkt durch die erfindungsgemäßen Batterien versorgt. Dabei sind die DC/AC-Umsetzer 20-1, 20-2, 20-3 der drei Batterien so miteinander synchronisiert, dass sie phasenversetzte Wechselspannungen erzeugen. Während 2 drei gesonderte Batterien zeigt, kann gleichwertig auch eine einzelne Batterie vorgesehen sein, welche eine Mehrzahl, bevorzugt drei, Batteriemodule 22-1, 22-2, 22-3 zur Erzeugung von ebenso vielen Wechselspannungen in einer einzigen Batterie integriert. Wie bei allen Ausführungsbeispielen der Erfindung ist eine Frequenz der Wechselspannung einer Batterie beziehungsweise eines Batteriemoduls bevorzugt einstellbar.
3 zeigt ein elektrisches Antriebssystem mit einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Beispiel zeigt eine einzelne Batterie, welche jedoch eine Mehrzahl von Wechselspannungen zur Verfügung stellt. Auch hier ist die bevorzugte Anzahl von ausgangsseitigen Wechselspannungen drei. Im Unterschied zum Beispiel der 2 wird hier nur ein DC/AC-Umsetzer 30 verwendet, welcher jedoch ausgebildet ist, aus einer von Batteriezellen 21 zur Verfügung gestellten Gleichspannung mehrere zueinander phasenversetzte Wechselspannungen zu erzeugen. Auch hier können beliebige Anzahlen von Batteriezellen 21 in Serie und/oder parallel verschaltet werden. Der wesentliche Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 2 besteht darin, dass nur eine Einheit von Batteriezellen 21 als Energiespeicher vorgesehen ist, welche die elektrische Energie für die Erzeugung der Wechselspannungen bereitstellt.
4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ein Batteriemodulstrang 23 mit einer Mehrzahl von Batteriemodulen 22-1, 22-2, ..., 22-n ausgeführt ist. Innerhalb eines Batteriemodulstranges sind mehrere Batteriemodule 22-1, 22-2, ..., 22-n in Serie geschaltet. Die Batteriemodule 22-1, 22-2, ..., 22-n sind vorzugsweise gleichartig aufgebaut und weisen jeweils Batteriezellen 21-1-1, 21-1-2, ..., 21-1-n und DC/AC-Umsetzer 20-1-1, 20-1-2, ..., 20-1-n auf. Die Serienschaltung von Batteriemodulen zu Batteriemodulsträngen bietet die bereits erwähnten Vorteile hinsichtlich Cell-Balancing und Überbrückung von defekten Batteriemodulen beziehungsweise Batteriemodulen mit defekten Batteriezellen. Auch bei den Ausführungsbeispielen der 2, 3 und 5 können anstelle eines einzelnen Batteriemoduls jeweils Batteriemodulstränge mit mehreren Batteriemodulsträngen vorgesehen sein.
5 zeigt ein elektrisches Antriebssystem mit einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der DC/AC-Umsetzer 20-1, 20-2 eines Batteriemoduls ausgebildet ist, eine bipolare Wechselspannung zu erzeugen, also eine Wechselspannung, welche sowohl Anteile mit positiver als auch negativer Spannung enthält. Der DC/AC-Umsetzer 20-1, 20-2 besitzt zu diesem Zweck eine Inverterfunktionalität, welche die Vorzeichenumkehr der von den Batteriezellen 21-1, 21-2 bereitgestellten Gleichspannung ermöglicht. Der DC/AC-Umsetzer 20-1, 20-2 bewirkt so in einer ersten Phase der erzeugten Wechselspannung eine Vorzeichenumkehr und arbeitet als Inverter, in einer zweiten Phase der erzeugten Wechselspannung arbeitet der DC/AC-Umsetzer 20-1, 20-2 als gewöhnlicher DC/AC-Umsetzer ohne Vorzeichenumkehr, beispielsweise als Boost-Konverter oder dergleichen. Auch hier können Batteriemodulstränge mit mehreren Batteriemodulen vorgesehen sein. Ebenso können mehrere Batteriemodulstränge in einer einzigen Batterie integriert sein. Die Batteriemodule 22-1, 22-2 des Ausführungsbeispiels der 5 besitzen den Vorteil, dass aufgrund der von den DC/AC-Umsetzern 20-1, 20-2 erzeugten bipolaren Wechselspannungen ein beispielsweise dreiphasiger Antriebsmotor 13 mit nur zwei Wechselspannungen betrieben werden kann, wobei der verbleibende Anschluss mit Masse verbunden werden kann.

Claims

Eine Batterie mit wenigstens einem Batteriemodulstrang (23), wobei der Batteriemodulstrang (23) wenigstens ein Batteriemodul (22) mit wenigstens einer Batteriezelle (21) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Batteriemodul (22) einen DC/AC-Umsetzer (20, 30) enthält, welcher eingangsseitig mit der wenigstens einen Batteriezelle (21) und ausgangsseitig mit Ausgängen des wenigstens einen Batteriemoduls (22) verbunden und ausgebildet ist, aus einer Ausgangsspannung der wenigstens einen Batteriezelle (21) eine Wechselspannung zu erzeugen und an die Ausgänge des Batteriemoduls (22) auszugeben.
Die Batterie gemäß Anspruch 1, bei der der wenigstens ein Batteriemodulstrang (23) eine Mehrzahl von Batteriemodulen (22) aufweist, welche ausgangsseitig in Serie geschaltet sind.
Die Batterie gemäß Anspruch 2, bei der die Batteriemodule (22) ausgebildet sind, auf ein Steuersignal hin einen ersten Ausgang des Batteriemoduls (22) mit einem zweiten Ausgang des Batteriemoduls (22) leitend zu verbinden.
Die Batterie gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das wenigstens eine Batteriemodul (22) eine Mehrzahl von Batteriezellen (21) aufweist, welche zwischen einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang des DC/AC-Umsetzers (20, 30) in Serie geschaltet sind.
Die Batterie gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der DC/AC-Umsetzer (20, 30) ausgebildet ist, eine sinusförmige Wechselspannung zu erzeugen.
Die Batterie gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der DC/AC-Umsetzer (20, 30) ausgebildet ist, die Wechselspannung mit einer veränderlich vorgebbaren Frequenz zu erzeugen.
Die Batterie gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit drei Batteriemodulsträngen (23), welche ausgebildet sind, eine gegenüber den jeweils anderen Batteriemodulsträngen (23) phasenversetzte Wechselspannung zu erzeugen.
Die Batterie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, mit zwei Batteriemodulsträngen (23), bei denen die DC/AC-Umsetzer (20, 30) ausgebildet sind, eine bipolare Wechselspannung zu erzeugen.
Die Batterie gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die wenigstens eine Batteriezelle (21) eine Lithium-Ionen-Batteriezelle ist.
Ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeuges und einer mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen Batterie gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.