DE102010042718A1

DE102010042718A1 - Verfahren zur Steuerung einer Batterie mit variabler Ausgangsspannung

Info

Publication number: DE102010042718A1
Application number: DE201010042718
Authority: DE
Inventors: Ralph Schmidt; Stefan Butzmann; Holger Fink
Original assignee: SB LiMotive Germany GmbH; SB LiMotive Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2010-10-20
Filing date: 2010-10-20
Publication date: 2012-04-26
Also published as: WO2012052224A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Steuerung einer Batterie mit einer Mehrzahl von zu einem Batteriemodulstrang (70) in Serie geschalteten Batteriemodulen (40, 60) vorgestellt, das die Belastung der Batteriemodule (40, 60) möglichst gleichmäßig verteilt. Das Verfahren weist einen Schritt des Erzeugens einer steigenden Ausgangsspannung des Batteriemodulstrangs (70) durch Aktivieren einer zunehmenden Anzahl von Batteriemodulen (40, 60) während einer ersten Zeitperiode und einen Schritt des Erzeugens einer fallenden Ausgangsspannung des Batteriemodulstrangs (70) durch Deaktivieren einer zunehmenden Anzahl von Batteriemodulen (40, 60) während einer auf die erste Zeitperiode folgenden zweiten Zeitperiode auf. Erfindungsgemäß ist eine erste Reihenfolge von Batteriemodulen (40, 60), in der die Batteriemodule (40, 60) während der ersten Zeitperiode aktiviert werden, gleich einer zweiten Reihenfolge von Batteriemodulen (40, 60), in der die Batteriemodule (40, 60) während der zweiten Zeitperiode deaktiviert werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Batterie mit variabler Ausgangsspannung und eine Batterie, welche ausgebildet ist, das Verfahren durchzuführen.
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 stellbarer 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.
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 Sinusströme 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 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 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 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 19 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.
Es wurden nun Batterien vorgeschlagen, in denen Batteriemodule verschaltet sind, die aktiviert und deaktiviert werden können. Im aktiven Zustand sind die Batteriezellen des Batteriemoduls mit dessen Ausgängen verbunden, so dass die Spannung des Batteriemoduls an der Erzeugung der Batteriespannung teilnimmt. Im deaktivierten Zustand hingegen sind die Batteriezellen eines Batteriemoduls von dessen Ausgängen abgekoppelt und die Ausgänge überbrückt, so dass die Batteriemodulspannung Null wird. Indem nun eine variable Anzahl von Batteriemodulen aktiviert beziehungsweise deaktiviert wird, kann die Batteriespannung variabel eingestellt werden, so dass der Gleichspannungszwischenkreis, der Pulswechselrichter und gegebenenfalls auch die Ladeschütze entfallen können. Hierbei besteht jedoch das Problem, dass die Belastung möglichst gleichmäßig auf die Batteriemodule verteilt werden soll, damit die Batteriezellen der Batteriemodule gleichmäßig entladen werden und gleichmäßig altern.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird daher ein Verfahren zur Steuerung einer Batterie mit einer Mehrzahl von zu einem Batteriemodulstrang in Serie geschalteten Batteriemodulen eingeführt, das die Belastung der Batteriemodule möglichst gleichmäßig verteilt. 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, welche ausgebildet ist, 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, so dass eine Batteriemodulspannung des Batteriemoduls einen von dem ersten und zweiten Steuersignal abhängigen Spannungswert annimmt. Das Verfahren weist wenigstens einen Schritt des Erzeugens einer steigenden Ausgangsspannung des Batteriemodulstrangs durch Ausgeben des ersten Steuersignals an eine zunehmende Anzahl von Batteriemodulen während einer ersten Zeitperiode und einen Schritt des Erzeugens einer fallenden Ausgangsspannung des Batteriemodulstrangs durch Ausgeben des zweiten Steuersignals an eine zunehmende Anzahl von Batteriemodulen während einer auf die erste Zeitperiode folgenden zweiten Zeitperiode auf. Erfindungsgemäß ist dabei eine erste Reihenfolge von Batteriemodulen, in der das erste Steuersignal an die Batteriemodule während der ersten Zeitperiode ausgegeben wird, gleich einer zweiten Reihenfolge von Batteriemodulen, in der das zweite Steuersignal an die Batteriemodule während der zweiten Zeitperiode ausgegeben wird.
Indem die Reihenfolge, in der die einzelnen Batteriemodule aktiviert werden, um eine steigende Ausgangsspannung des Batteriemodulstrangs zu erzeugen, gleich der Reihenfolge ist, in der die einzelnen Batteriemodule anschließend deaktiviert werden, um eine fallende Ausgangsspannung des Batteriemodulstrangs zu erzeugen, wird die Zeit, während der ein einzelnes Batteriemodul an der Erzeugung der Ausgangsspannung des Batteriemodulstrangs teilnimmt, weitgehend angeglichen.
Bevorzugt wird das erste Steuersignal an ein jeweiliges Batteriemodul von einem jeweiligen ersten Ausgabezeitpunkt während der ersten Zeitperiode kontinuierlich ausgegeben, bis an einem jeweiligen zweiten Ausgabezeitpunkt während der zweiten Zeitperiode das zweite Steuersignal an das jeweilige Batteriemodul ausgegeben wird. Hierdurch werden Verluste aufgrund von Schaltvorgängen minimiert.
Der erste Ausgabezeitpunkt eines ersten Batteriemoduls kann dabei vor dem ersten Ausgabezeitpunkt eines zweiten Batteriemoduls liegen, wobei der zweite Ausgabezeitpunkt des ersten Batteriemoduls vor dem zweiten Ausgabezeitpunkt des zweiten Batteriemoduls liegt.
Alternativ oder zusätzlich können der erste und der zweite Ausgabezeitpunkt eines dritten Batteriemoduls gleichzeitig mit dem ersten und zweiten Ausgabezeitpunkt eines vierten Batteriemoduls sein. Indem das dritte und vierte Batteriemodul gleichzeitig aktiviert und deaktiviert werden, kann ein größerer Anstieg beziehungsweise Abfall der Ausgangsspannung des Batteriemodulstrangs erreicht werden, wobei beide Batteriemodule eine gleiche Belastung erfahren.
Ein frühester zweiter Ausgabezeitpunkt der zweiten Ausgabezeitpunkte hegt außerdem bevorzugt nach einem spätesten ersten Ausgabezeitpunkt der ersten Ausgabezeitpunkte.
Besonders bevorzugt weisen die steigende Ausgangsspannung des Batteriemodulstrangs und die fallende Ausgangsspannung des Batteriemodulstrangs einen sinusförmigen Verlauf auf. Dadurch kann die Batterie direkt an einen Verbraucher angeschlossen werden, der für den Betrieb in einem Wechselspannungsnetz ausgelegt ist. Unter „sinusförmig” wird hier auch ein stufiger Verlauf verstanden, der einen Sinus approximiert.
Bevorzugt besitzt der sinusförmige Verlauf der Ausgangsspannung eine vorgebbare Frequenz. Dadurch kann beispielsweise durch Anpassung der Frequenz im Rahmen eines Regelsystems die Ausgangsspannung mit einer Spannung eines Versorgernetzwerkes synchronisiert werden.
Bevorzugt werden im Rahmen des Verfahrens eine Mehrzahl von sinusförmigen Ausgangsspannungen, bevorzugt drei sinusförmige Ausgangsspannungen, erzeugt, wobei jede der sinusförmigen Ausgangsspannungen gegenüber den verbleibenden sinusförmigen Ausgangsspannungen phasenversetzt ist. Dadurch können elektrische Maschinen direkt aus der Batterie versorgt werden. Werden drei sinusförmige Ausgangsspannungen erzeugt, können für ein dreiphasiges Versorgernetz entworfene Maschinen ohne Modifikation oder Zwischenkomponenten mit der Batterie verbunden werden.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung führt eine Batterie mit einer Mehrzahl von zu einem Batteriemodulstrang in Serie geschalteten Batteriemodulen und einer Steuereinheit ein. Jedes Batteriemodul umfasst wenigstens eine Batteriezelle und eine Koppeleinheit, wobei die wenigstens eine Batteriezelle zwischen einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang der Koppeleinheit geschaltet und die Koppeleinheit ausgebildet ist, 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, so dass eine Batteriemodulspannung des Batteriemoduls einen von dem ersten und zweiten Steuersignal abhängigen Spannungswert annimmt. Die Steuereinheit ist ausgebildet, die ersten und zweiten Steuersignale zu erzeugen und an die Batteriemodule auszugeben und das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
Die Koppeleinheit kann einen ersten Ausgang aufweisen und ausgebildet sein, auf das erste Steuersignal hin entweder den ersten Eingang oder den zweiten Eingang mit dem Ausgang zu verbinden. Der Ausgang ist dabei mit einem der Terminals des Batteriemoduls und einer von erstem oder zweitem Eingang mit dem anderen der Terminals des Batteriemoduls verbunden. Eine solche Koppeleinheit kann mit dem Einsatz von nur zwei Schaltern, bevorzugt Halbleiterschaltern wie MOSFETs oder IGBTs, realisiert werden.
Alternativ kann die Koppeleinheit einen ersten Ausgang und einen zweiten Ausgang aufweisen und ausgebildet sein, auf das erste Steuersignal hin den ersten Eingang mit dem ersten Ausgang und den zweiten Eingang mit dem zweiten Ausgang zu verbinden. Dabei ist die Koppeleinheit außerdem ausgebildet, auf das zweite Steuersignal hin den ersten Eingang vom ersten Ausgang und den zweiten Eingang vom zweiten Ausgang abzutrennen und den ersten Ausgang mit dem zweiten Ausgang zu verbinden. Diese Ausführungsform benötigt einen etwas höheren Schaltungsaufwand (gewöhnlich drei Schalter), koppelt aber die Batteriezellen des Batteriemoduls an dessen beiden Polen ab, so dass bei einer drohenden Tiefentladung oder einer Beschädigung eines Batteriemoduls dessen Batteriezellen spannungsfrei geschaltet und so im fortwährenden Betrieb der Gesamtanordnung gefahrlos ausgetauscht werden können.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann die Koppeleinheit einen ersten Eingang, einen zweiten Eingang, einen ersten Ausgang und einen zweiten Ausgang umfassen und ausgebildet sein, auf ein erstes Steuersignal hin den ersten Eingang mit dem ersten Ausgang und den zweiten Eingang mit dem zweiten Ausgang zu verbinden und auf ein zweites Steuersignal hin den ersten Eingang mit dem zweiten Ausgang und den zweiten Eingang mit dem ersten Ausgang zu verbinden. Diese Ausführungsform benötigt zwar einen noch etwas höheren Schaltungsaufwand (gewöhnlich vier Schalter oder zwei Wechselschalter), besitzt aber den Vorteil, dass eine Ausgangsspannung einer wählbaren Polarität an die Ausgänge der Koppeleinheit beziehungsweise des Batteriemoduls gelegt werden kann. Dadurch können bipolare Ausgangsspannungen erzeugt werden, die bei der gleichbleibenden Anzahl an Batteriemodulen einen doppelt so großen Spannungsbereich abdecken.
Im Extremfall weist jedes Batteriemodul nur eine Batteriezelle oder ausschließlich eine Parallelschaltung von Batteriezellen auf. In diesem Fall kann die Ausgangsspannung eines Batteriemodulstranges am feinsten eingestellt werden. Werden, wie allgemein im Rahmen der Erfindung bevorzugt, Lithium-Ionen-Batteriezellen eingesetzt, welche eine Zellspannung zwischen 2,5 und 4,2 V besitzen, ließe sich die Ausgangsspannung der Batterie entsprechend genau einstellen. Je genauer die Ausgangsspannung der Batterie einstellbar ist, desto kleiner wird auch die Problematik der elektromagnetischen Verträglichkeit, weil die durch den Batteriestrom verursachten Abstrahlungen mit dessen hochfrequenten Anteilen sinken. Dem steht jedoch ein erhöhter Schaltungsaufwand gegenüber, welcher aufgrund der Vielzahl von eingesetzten Schaltern auch erhöhte Leistungsverluste in den Schaltern der Koppeleinheiten mit sich bringt.
Ein dritter Erfindungsaspekt betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeuges und einer mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen Batterie gemäß dem vorhergehenden Erfindungsaspekt ein.
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:
1 ein elektrisches Antriebssystem gemäß dem Stand der Technik,
2 ein Blockschaltbild einer Batterie gemäß dem Stand der Technik,
3 eine erste Ausführung einer Koppeleinheit zum Einsatz in der erfindungsgemäßen Batterie,
4 eine mögliche schaltungstechnische Umsetzung der ersten Ausführungsform der Koppeleinheit,
5 und 6 zwei Ausführungsformen eines Batteriemoduls mit der ersten Ausführungsform der Koppeleinheit,
7 eine zweite Ausführungsform einer Koppeleinheit zum Einsatz in der erfindungsgemäßen Batterie,
8 eine mögliche schaltungstechnische Umsetzung der zweiten und dritten Ausführungsform der Koppeleinheit,
9 eine mögliche schaltungstechnische Umsetzung der dritten Ausführungsform der Koppeleinheit,
10 eine Ausführungsform eines Batteriemoduls mit der zweiten oder dritten Ausführungsform der Koppeleinheit,
11 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie,
12 ein Antriebssystem mit einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie, und
13 einen zeitlichen Verlauf einer Ausgangsspannung der erfindungsgemäßen Batterie sowie Steuersignale für eine Anzahl von Batteriemodulen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Ausführungsformen der Erfindung
3 zeigt eine erste Ausführung einer Koppeleinheit 30 zum Einsatz in der erfindungsgemäßen Batterie. Die Koppeleinheit 30 besitzt zwei Eingänge 31 und 32 sowie einen Ausgang 33 und ist ausgebildet, einen der Eingänge 31 oder 32 mit dem Ausgang 33 zu verbinden und den anderen abzukoppeln.
4 zeigt eine mögliche schaltungstechnische Umsetzung der ersten 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. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass auch beide Eingänge 31, 32 vom Ausgang 33 abgekoppelt werden können, so dass der Ausgang 33 hochohmig wird, was beispielsweise im Fall einer Reparatur oder Wartung nützlich sein kann. Zudem können die Schalter 35, 36 einfach als Halbleiterschalter wie z. B. MOSFETs oder IGBTs 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 Steuersignals reagieren kann und hohe Umschaltraten erreichbar sind. Gegenüber einem gewöhnlichen Pulswechselrichter, welcher eine gewünschte Spannungsform durch entsprechende Wahl eines Tastverhältnisses zwischen maximaler und minimaler Gleichspannung (Pulsweitenmodulation) erzeugt, besitzt die Erfindung jedoch den Vorteil, dass die Schaltfrequenzen der in den Koppeleinheiten enthaltenen Schalter wesentlich niedriger ist, da prinzipiell jeder Schalter nur einmal je Periode der zu erzeugenden Ausgangsspannung geschlossen und wieder geöffnet wird. Dadurch wird die Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) verbessert und es können geringere Anforderungen an die Schalter gestellt werden.
Die 5 und 6 zeigen zwei Ausführungsformen eines Batteriemoduls 40 mit der ersten Ausführungsform der Koppeleinheit 30. Eine Mehrzahl von Batteriezellen 11 ist zwischen die Eingänge der Koppeleinheit 30 in Serie geschaltet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine solche Serienschaltung von Batteriezellen 11 beschränkt, es kann auch nur eine einzelne Batteriezelle 11 vorgesehen sein oder aber eine Parallelschaltung oder gemischt-seriell-parallele Schaltung von Batteriezellen 11. Im Beispiel der 5 sind der Ausgang der Koppeleinheit 30 mit einem ersten Terminal 41 und der negative Pol der Batteriezellen 11 mit einem zweiten Terminal 42 verbunden. Es ist jedoch eine beinahe spiegelbildliche Anordnung wie in 6 möglich, bei der der positive Pol der Batteriezellen 11 mit dem ersten Terminal 41 und der Ausgang der Koppeleinheit 30 mit dem zweiten Terminal 42 verbunden sind.
7 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Koppeleinheit 50 zum Einsatz in der erfindungsgemäßen Batterie. Die Koppeleinheit 50 besitzt zwei Eingänge 51 und 52 sowie zwei Ausgänge 53 und 54. Sie ist ausgebildet, entweder den ersten Eingang 51 mit dem ersten Ausgang 53 sowie den zweiten Eingang 52 mit dem zweiten Ausgang 54 zu verbinden oder entweder den ersten Eingang 51 mit dem zweiten Ausgang 54 sowie den zweiten Eingang 52 mit dem ersten Ausgang 53 zu verbinden oder aber den ersten Ausgang 53 mit dem zweiten Ausgang 54 zu verbinden (und dabei die Eingänge 51 und/oder 52 abzukoppeln). Bei bestimmten Ausführungsformen der Koppeleinheit kann diese außerdem ausgebildet sein, beide Eingänge 51, 52 von den Ausgängen 53, 54 abzutrennen und auch den ersten Ausgang 53 vom zweiten Ausgang 54 abzukoppeln. Nicht vorgesehen ist jedoch, sowohl den ersten Eingang 51 mit dem zweiten Eingang 52 zu verbinden.
8 zeigt eine mögliche schaltungstechnische Umsetzung der zweiten Ausführungsform der Koppeleinheit 50, bei der ein erster, ein zweiter und ein dritter Schalter 55, 56 und 57 vorgesehen sind. Der erste Schalter 55 ist zwischen den ersten Eingang 51 und den ersten Ausgang 53 geschaltet, der zweite Schalter 56 ist zwischen den zweiten Eingang 52 und den zweiten Ausgang 54 und der dritte Schalter 57 zwischen den ersten Ausgang 53 und den zweiten Ausgang 54 geschaltet.
9 zeigt eine mögliche schaltungstechnische Umsetzung der dritten Ausführungsform der Koppeleinheit 50, bei der ein erster, ein zweiter, ein dritter und ein vierter Schalter 55, 56, 58 und 59 vorgesehen sind. Der erste Schalter 55 ist zwischen den ersten Eingang 51 und den ersten Ausgang 53 geschaltet, der zweite Schalter 56 ist zwischen den zweiten Eingang 52 und den zweiten Ausgang 54, der dritte Schalter 58 zwischen den ersten Eingang 51 und den zweiten Ausgang 54 und der vierte Schalter 59 zwischen den zweiten Eingang 52 und den ersten Ausgang 53 geschaltet.
Die Ausführungsformen der 8 und 9 bieten ebenfalls den Vorteil, dass die Schalter 55, 56 und 57 beziehungsweise 55, 56, 58 und 59 einfach als Halbleiterschalter wie z. B. MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) oder IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) verwirklicht werden können. Halbleiterschalter haben den Vorteil eines günstigen Preises und einer hohen Schaltgeschwindigkeit, so dass die Koppeleinheit 50 innerhalb einer geringen Zeit auf ein Steuersignal beziehungsweise eine Änderung des Steuersignals reagieren kann und hohe Umschaltraten erreichbar sind.
Die 10 zeigt eine Ausführungsform eines Batteriemoduls 60 mit der zweiten oder dritten Ausführungsform der Koppeleinheit 50. Eine Mehrzahl von Batteriezellen 11 ist zwischen die Eingänge einer Koppeleinheit 50 in Serie geschaltet. Auch diese Ausführungsform des Batteriemoduls 60 ist nicht auf eine solche Serienschaltung von Batteriezellen 11 beschränkt, es kann wiederum auch nur eine einzelne Batteriezelle 11 vorgesehen sein oder aber eine Parallelschaltung oder gemischt-seriell-parallele Schaltung von Batteriezellen 11. Der erste Ausgang der Koppeleinheit 50 ist mit einem ersten Terminal 61 und der zweite Ausgang der Koppeleinheit 40 mit einem zweiten Terminal 62 verbunden. Das Batteriemodul 60 bietet gegenüber dem Batteriemodul 40 der 5 und 6 entweder den Vorteil, dass die Batteriezellen 11 durch die Koppeleinheit 50 von der restlichen Batterie beidseitig abgekoppelt werden können, was einen gefahrlosen Austausch im laufenden Betrieb ermöglicht, da an keinem Pol der Batteriezellen 11 die gefährliche hohe Summenspannung der restlichen Batteriemodule der Batterie anliegt oder das sowohl die positive als auch die negative Batteriemodulspannung an die Ausgänge geschaltet werden kann.
11 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie, welche über n Batteriemodulstränge 70-1 bis 70-n verfügt. Jeder Batteriemodulstrang 70-1 bis 70-n weist eine Mehrzahl von Batteriemodulen 40 oder 60 auf, wobei vorzugsweise jeder Batteriemodulstrang 70-1 bis 70-n dieselbe Anzahl von Batteriemodulen 40 oder 60 und jedes Batteriemodul 40 oder 60 dieselbe Anzahl von Batteriezellen 11 in identischer Weise verschaltet enthält. Ein Pol eines jeden Batteriemodulstranges 70-1 bis 70-n kann mit einem entsprechenden Pol der anderen Batteriemodulstränge 70-1 bis 70-n verbunden sein, was durch eine gestrichelte Linie in 10 angedeutet ist. Generell kann ein Batteriemodulstrang 70-1 bis 70-n jede Zahl von Batteriemodulen 40 oder 60 größer 1 und eine Batterie jede Zahl von Batteriemodulsträngen 70-1 bis 70-n enthalten. Auch können an den Polen der Batteriemodulstränge 70-1 bis 70-n zusätzlich Lade- und Trenneinrichtungen und Trenneinrichtungen wie bei 2 vorgesehen sein, wenn Sicherheitsbestimmungen dies erfordern. Allerdings sind solche Trenneinrichtungen erfindungsgemäß nicht notwendig, weil eine Abkopplung der Batteriezellen 11 von den Batterieanschlüssen durch die in den Batteriemodulen 40 oder 60 enthaltenen Koppeleinheiten 30 oder 50 erfolgen kann.
12 zeigt ein Antriebssystem mit einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie. Im gezeigten Beispiel besitzt die Batterie drei Batteriemodulstränge 70-1, 70-2 und 70-3, welche jeweils direkt an einen Eingang eines Antriebsmotors 13 angeschlossen sind. Da die meisten verfügbaren Elektromotoren auf einen Betrieb mit drei Phasen ausgelegt sind, besitzt die Batterie der Erfindung bevorzugt genau drei Batteriemodulstränge. Die Batterie der Erfindung besitzt den weiteren Vorzug, dass die Funktionalität eines Pulswechselrichters bereits in die Batterie integriert ist. Indem eine Steuereinheit der Batterie eine variable Anzahl von Batteriemodulen 40 oder 60 eines Batteriemodulstranges aktiviert (beziehungsweise deaktiviert), steht am Ausgang des Batteriemodulstranges eine zu der Anzahl der aktivierten Batteriemodule 40 oder 60 proportionale Spannung, welche zwischen 0 V und der vollen Ausgangsspannung des Batteriemodulstranges betragen kann, zur Verfügung. Die Steuereinheit verwirklicht dabei das erfindungsgemäße Steuerverfahren, wodurch die Belastungen der Batteriezellen 11 der einzelnen Batteriemodule 40 oder 60 einander möglichst weitgehend angeglichen werden.
13 zeigt einen beispielhaften zeitlichen Verlauf einer Ausgangsspannung der erfindungsgemäßen Batterie sowie Steuersignale für eine Anzahl von Batteriemodulen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren. Die Ausgangsspannung der Batterie (beziehungsweise eines Batteriemodulstranges) V ist dabei über der Zeit t aufgetragen. Mit dem Bezugszeichen 80-b ist ein für einen beispielhaften Anwendungszweck gewünschter (idealer) Sinus aufgetragen, der jedoch nur Spannungswerte größer oder gleich Null aufweist. Der ideale Sinus wird von der erfindungsgemäßen Batterie durch eine wertdiskrete Spannungskurve 80-a näherungsweise erzeugt. Die Abweichungen der wertdiskreten Spannungskurve 80-a von der idealen Kurve 80-b hängen hinsichtlich ihrer Größe von der Anzahl von Batteriezellen 11 ab, die in einem Batteriemodul 40 oder 60 in Serie geschaltet sind. Je weniger Batteriezellen 11 in einem Batteriemodul 40 oder 60 in Serie geschaltet sind, desto genauer kann die wertdiskrete Spannungskurve 80-a der idealisierten Kurve 80-b folgen. In üblichen Anwendungen beeinträchtigen die verhältnismäßig geringen Abweichungen die Funktion des Gesamtsystems jedoch nicht. Gegenüber einem herkömmlichen Pulswechselrichter, welcher eine Ausgangsklemme nur mit zwei verschiedenen Potentialen verbinden kann, sind die Abweichungen ohnehin deutlich verringert.
In dem gezeigten Beispiel sind acht Batteriemodule zu einem Batteriemodulstrang zusammengeschaltet. Die Batteriemodule besitzen eine einheitliche Batteriemodulspannung V_M, so dass sich im Diagramm insgesamt neun unterschiedliche Spannungsstufen zwischen 0 V und 8·V_M ergeben. Natürlich kann eine sehr viel größere Anzahl von Batteriemodulen eingesetzt werden.
Im unteren Teil des Diagramms sind (binäre) Steuersignale M1 bis M8 für die acht Batteriemodule aufgetragen. Dabei bedeuten ein hoher Spannungspegel die Ausgabe eines ersten Steuersignals, das ein gegebenes Batteriemodul aktiviert, und ein niedriger Spannungspegel die Ausgabe eines zweiten Steuersignals, das das gegebene Batteriemodul deaktiviert. Im Beispiel der 13 werden die Batteriemodule in aufsteigender Reihenfolge von dem ersten Batteriemodul (Steuersignal M1) zum letzten Batteriemodul (Steuersignal M8) aktiviert, so dass sich eine steigende Ausgangsspannung 80-a der Batterie ergibt. Die Einschaltzeitpunkte sind dabei so gewählt, dass sich ein sinusförmiger Verlauf ergibt. In den Bereichen um den Nulldurchgang des sinusförmigen Verlaufs, der hier wegen der Tatsache, dass nur positive Batteriespannungen ausgegeben werden, bei der Spannung 4·V_M liegt, ist die Steigung im gezeigten Beispiel so groß, dass jeweils zwei Batteriemodule gleichzeitig aktiviert werden. Allerdings kann ein besserer Spannungsverlauf erreicht werden, wenn die Batteriemodule grundsätzlich einzeln aktiviert werden, was jedoch hohe Anforderungen an die zeitliche Auflösung des Steuerverfahrens stellt, weil die Batteriemodule dann in sehr geringem zeitlichen Abstand aktiviert werden.
Nach dem die Ausgangsspannung 80-a ihr Maximum mit der Aktivierung des letzten Batteriemoduls (Steuersignal M8) erreicht hat, werden die Batteriemodule in derselben Reihenfolge, in der sie aktiviert wurden, wieder deaktiviert. Als erstes wird also das Steuersignal M1 auf einen niedrigen Spannungspegel gesetzt, dann folgt das Steuersignal M2 und so weiter. Dadurch wird jedes Batteriemodul eine halbe Periode aktiviert und eine halbe Periode deaktiviert, so dass sich identische Belastungen der einzelnen Batteriemodule ergeben und die Schaltfrequenzen der Schalter der Koppeleinheiten der einzelnen Batteriemodule minimiert werden.
Die Erfindung besitzt außer den bereits genannten Vorteilen die Vorteile einer Reduktion der Anzahl von Hochvoltkomponenten, von Steckverbindungen und bietet die Möglichkeit, ein Kühlsystem der Batterie mit dem des Pulswechselrichters zu kombinieren, wobei ein Kühlmittel, das zur Kühlung der Batteriezellen eingesetzt wird, anschließend zur Kühlung der Komponenten des Pulswechselrichters (also der Koppeleinheiten 40 oder 60) eingesetzt werden kann, da diese üblicherweise höhere Betriebstemperaturen erreichen und durch das von den Batteriezellen bereits erwärmte Kühlmittel noch hinreichend gekühlt werden können. Zudem wird es möglich, die Steuereinheiten der Batterie und des Pulswechselrichters zu kombinieren und so weiter Aufwand einzusparen. Die Koppeleinheiten bieten ein integriertes Sicherheitskonzept für Pulswechselrichter und Batterie und erhöhen die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit des Gesamtsystems sowie die Lebensdauer der Batterie.
Ein weiterer Vorteil der Batterie mit integriertem Pulswechselrichter ist, dass sie sehr einfach modular aus einzelnen Batteriemodulen mit integrierter Koppeleinheit aufgebaut werden kann. Dadurch wird die Verwendung von Gleichteilen (Baukastenprinzip) möglich.

Claims

Ein Verfahren zur Steuerung einer Batterie mit einer Mehrzahl von zu einem Batteriemodulstrang (70) in Serie geschalteten Batteriemodulen (40, 60), von denen jedes wenigstens eine Batteriezelle (11) und eine Koppeleinheit (30, 50) umfasst, wobei die wenigstens eine Batteriezelle (11) zwischen einen ersten Eingang (31, 51) und einen zweiten Eingang (32, 52) der Koppeleinheit (30, 50) geschaltet und die Koppeleinheit (30, 50) ausgebildet ist, auf ein erstes Steuersignal hin die wenigstens eine Batteriezelle (11) zwischen ein erstes Terminal (41, 61) des Batteriemoduls (40, 60) und ein zweites Terminal (42, 62) des Batteriemoduls (40, 60) zu schalten und auf ein zweites Steuersignal hin das erste Terminal (41, 61) mit dem zweiten Terminal (42, 62) zu verbinden, so dass eine Batteriemodulspannung des Batteriemoduls (40, 60) einen von dem ersten und zweiten Steuersignal abhängigen Spannungswert annimmt, das Verfahren wenigstens folgende Schritte aufweisend: Erzeugen einer steigenden Ausgangsspannung des Batteriemodulstrangs (70) durch Ausgeben des ersten Steuersignals an eine zunehmende Anzahl von Batteriemodulen (40, 60) während einer ersten Zeitperiode; und Erzeugen einer fallenden Ausgangsspannung des Batteriemodulstrangs (70) durch Ausgeben des zweiten Steuersignals an eine zunehmende Anzahl von Batteriemodulen (40, 60) während einer auf die erste Zeitperiode folgenden zweiten Zeitperiode, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Reihenfolge von Batteriemodulen (40, 60), in der das erste Steuersignal an die Batteriemodule (40, 60) während der ersten Zeitperiode ausgegeben wird, gleich einer zweiten Reihenfolge von Batteriemodulen (40, 60) ist, in der das zweite Steuersignal an die Batteriemodule (40, 60) während der zweiten Zeitperiode ausgegeben wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das erste Steuersignal an ein jeweiliges Batteriemodul (40, 60) von einem jeweiligen ersten Ausgabezeitpunkt während der ersten Zeitperiode kontinuierlich ausgegeben wird, bis an einem jeweiligen zweiten Ausgabezeitpunkt während der zweiten Zeitperiode das zweite Steuersignal an das jeweilige Batteriemodul (40, 60) ausgegeben wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem der erste Ausgabezeitpunkt eines ersten Batteriemoduls (40, 60) vor dem ersten Ausgabezeitpunkt eines zweiten Batteriemoduls liegt und bei dem der zweite Ausgabezeitpunkt des ersten Batteriemoduls (40, 60) vor dem zweiten Ausgabezeitpunkt des zweiten Batteriemoduls liegt.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 oder 3, bei dem der erste Ausgabezeitpunkt eines dritten Batteriemoduls (40, 60) gleichzeitig mit dem ersten Ausgabezeitpunkt eines vierten Batteriemoduls ist und bei dem der zweite Ausgabezeitpunkt des dritten Batteriemoduls (40, 60) gleichzeitig mit dem zweiten Ausgabezeitpunkt des vierten Batteriemoduls ist.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem ein frühester zweiter Ausgabezeitpunkt der zweiten Ausgabezeitpunkte nach einem spätesten ersten Ausgabezeitpunkt der ersten Ausgabezeitpunkte liegt.
Das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die steigende Ausgangsspannung des Batteriemodulstrangs (70) und die fallende Ausgangsspannung des Batteriemodulstrangs (70) einen sinusförmigen Verlauf aufweisen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem der sinusförmige Verlauf der Ausgangsspannung eine vorgebbare Frequenz besitzt.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 oder 7, bei dem eine Mehrzahl von sinusförmigen Ausgangsspannungen, bevorzugt drei sinusförmige Ausgangsspannungen, erzeugt werden, wobei jede der sinusförmigen Ausgangsspannungen gegenüber den verbleibenden sinusförmigen Ausgangsspannungen phasenversetzt ist.
Eine Batterie mit einer Mehrzahl von zu einem Batteriemodulstrang (70) in Serie geschalteten Batteriemodulen (40, 60), von denen jedes wenigstens eine Batteriezelle (11) und eine Koppeleinheit (30, 50) umfasst, wobei die wenigstens eine Batteriezelle (11) zwischen einen ersten Eingang (31, 51) und einen zweiten Eingang (32, 52) der Koppeleinheit (30, 50) geschaltet und die Koppeleinheit (30, 50) ausgebildet ist, auf ein erstes Steuersignal hin die wenigstens eine Batteriezelle (11) zwischen ein erstes Terminal (41, 61) des Batteriemoduls (40, 60) und ein zweites Terminal (42, 62) des Batteriemoduls (40, 60) zu schalten und auf ein zweites Steuersignal hin das erste Terminal (41, 61) mit dem zweiten Terminal (42, 62) zu verbinden, so dass eine Batteriemodulspannung des Batteriemoduls (40, 60) einen von dem ersten und zweiten Steuersignal abhängigen Spannungswert annimmt, gekennzeichnet durch eine Steuereinheit, welche ausgebildet ist, die ersten und zweiten Steuersignale zu erzeugen und an die Batteriemodule (40, 60) auszugeben und das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
Ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor (13) zum Antreiben des Kraftfahrzeuges und einer mit dem elektrischen Antriebsmotor (13) verbundenen Batterie gemäß dem vorhergehenden Anspruch.