DE102010063312A1

DE102010063312A1 - Koppeleinheit und Batteriemodul mit einer solchen Koppeleinheit

Info

Publication number: DE102010063312A1
Application number: DE201010063312
Authority: DE
Inventors: 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: 2010-12-17
Filing date: 2010-12-17
Publication date: 2012-06-21
Also published as: WO2012079822A1

Abstract

Es wird eine Koppeleinheit (30) für ein Batteriemodul (50) beschrieben, die einen ersten Eingang (31), einen zweiten Eingang (32), einen ersten Ausgang (33) und einen zweiten Ausgang (34) besitzt. Die Koppeleinheit (30) ist dabei ausgebildet, auf ein erstes Steuersignal hin den ersten Eingang (31) mit dem ersten Ausgang (33) und den zweiten Eingang (32) mit dem zweiten Ausgang (34) zu verbinden und auf ein zweites Steuersignal hin den ersten Eingang (31) mit dem zweiten Ausgang (34) und den zweiten Eingang (32) mit dem ersten Ausgang (33) zu verbinden. Ferner wird ein Batteriemodul (50) mit einer solchen Koppeleinheit (30) eingeführt. Die Erfindung führt außerdem eine Batterie mit einem oder mehreren Batteriemodulsträngen (60) ein, wobei ein Batteriemodulstrang (60) eine Mehrzahl von in Serie geschalteten erfindungsgemäßen Batteriemodulen (50) umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Koppeleinheit für ein Batteriemodul und ein Batteriemodul mit einer solchen Koppeleinheit.
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 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 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 Schutz 18 offen gelassen und nur der 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 ist nun vorgeschlagen worden, die Batterie in eine Mehrzahl Batteriemodule zu unterteilen, welche jede mit einer Koppeleinheit ausgestattet sind. Die Koppeleinheit erlaubt es, das oder die in einem jeweiligen Batteriemodul enthaltene Batteriezelle/n abhängig von Steuersignalen entweder zwischen die beiden Ausgänge des Batteriemoduls zu schalten oder aber von den Ausgängen abzukoppeln und die Ausgänge miteinander leitend zu verbinden. Wird nun eine Mehrzahl solcher Batteriemodule in Serie geschaltet, kann die Ausgangsspannung der Batterie variabel eingeschaltet werden, indem die Koppeleinheiten der Batteriemodule wahlweise und selektiv so geschaltet werden, dass die Spannung der Batteriezellen an den Ausgängen eines jeweiligen Batteriemoduls sichtbar wird oder aber die Ausgänge überbrückt werden, so dass die effektive Ausgangsspannung des Batteriemoduls Null wird. Dadurch kann beispielsweise auch eine näherungsweise sinusförmige Ausgangsspannung der Batterie eingestellt werden. Hierbei ist jedoch problematisch, dass die sinusförmige Ausgangsspannung nur Spannungswerte zwischen einer minimalen Spannung von 0 V und einer maximalen Batteriespannung aufweisen kann, somit also eine bipolare Ausgangsspannung nicht möglich wird.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird daher eine Koppeleinheit für ein Batteriemodul eingeführt, die einen ersten Eingang, einen zweiten Eingang, einen ersten Ausgang und einen zweiten Ausgang umfasst. Die Koppeleinheit ist dabei ausgebildet, 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.
Die Koppeleinheit ermöglicht es, eine oder mehrere zwischen den ersten und den zweiten Eingang geschaltete Batteriezellen abhängig von entsprechenden Steuersignalen entweder in einer ersten Polarität zwischen den ersten und den zweiten Ausgang zu schalten oder aber die Batteriezellen in einer der ersten Polarität entgegengesetzten zweiten Polarität zwischen den ersten und den zweiten Ausgang zu schalten. Dies ermöglicht es, bipolare Wechselspannungen zu erzeugen, wodurch beispielsweise ein elektrisches Antriebssystem oder ein sonstiger elektrischer Verbraucher, der für eine Versorgung durch eine Wechselspannung ausgelegt ist, direkt aus einer mit einer solchen Koppeleinheit ausgestatteten Batterie oder einem entsprechenden Batteriemodul versorgt werden kann. Im Stand der Technik üblicherweise verwendete Komponenten wie Gleichspannungszwischenkreise oder Pulswechselrichter können somit entfallen, wodurch Aufbau, Volumen und Kosten eines Gesamtsystems vorteilhaft reduziert werden.
Die Koppeleinheit kann außerdem ausgebildet sein, auf ein drittes Steuersignal hin den ersten Ausgang mit dem zweiten Ausgang zu verbinden. Dabei kann die Koppeleinheit außerdem ausgebildet sein, auf das dritte Steuersignal hin wenigstens einen aus dem ersten Eingang oder dem zweiten Eingang ausgewählten Eingang von dem ersten Ausgang oder dem zweiten Ausgang abzutrennen.
Diese Ausführungsform erlaubt das Erzeugen einer Ausgangsspannung von 0 V, was mehrere Vorteile bietet. So kann einerseits die Spannung einer Batterie, die mehrere ausgangsseitig in Serie geschaltete und mit erfindungsgemäßen Koppeleinheiten ausgestattete Batteriemodule enthält, stufig eingestellt werden, das heißt, es kann eine wählbare Anzahl von Batteriemodulen so gesteuert werden, dass sie eine Ausgangsspannung von 0 V erzeugen, während die restlichen Batteriemodule ihre Batteriezellen mit den Ausgängen der Koppeleinheit verbinden und dadurch eine Ausgangsspannung einer gewählten Polarität erzeugen. Andererseits können die Batteriezellen eines Batteriemoduls abgekoppelt und in diesem Zustand gefahrlos ausgetauscht werden. Durch ein derartiges zeitweiliges Abkoppeln der Batteriezellen können diese zudem entlastet werden, was beispielsweise bei unterschiedlichen Ladungszuständen der Batteriezellen mehrerer Batteriemodule vorteilhaft sein kann.
Die Koppeleinheit kann wenigstens einen Wechselschalter mit einem primärseitigen. Anschluss und zwei sekundärseitigen Anschlüssen aufweisen. Dabei sind der primärseitige Anschluss mit einem von erstem oder zweitem Ausgang der Koppeleinheit, ein erster der sekundärseitigen Anschlüsse mit dem ersten Eingang der Koppeleinheit und ein zweiter der sekundärseitigen Anschlüsse mit dem zweiten Eingang der Koppeleinheit verbunden. Durch die Verwendung von Wechselschaltern kann sichergestellt werden, dass bei Fehlfunktion der Koppeleinheit niemals der erste Eingang mit dem zweiten Eingang und somit eventuell angeschlossene Batteriezellen kurzgeschlossen werden. Allerdings ist ein Wechselschalter gewöhnlich nur als elektromechanischer Schalter realisierbar, was Nachteile hinsichtlich Preis, Größe und Ausfallsicherheit mit sich bringt.
Alternativ kann die Koppeleinheit einen ersten Schalter, welcher zwischen den ersten Eingang und den ersten Ausgang geschaltet ist, einen zweiten Schalter, welcher zwischen den zweiten Eingang und den zweiten Ausgang geschaltet ist, einen dritten Schalter, welcher zwischen den ersten Eingang und den zweiten Ausgang geschaltet ist, und einen vierten Schalter, welcher zwischen den zweiten Eingang und den ersten Ausgang geschaltet ist, aufweisen. Eine solche Ausführung der Koppeleinheit eignet sich besonders gut für eine Realisierung mit Halbleiterschaltern, wobei wenigstens einer der Schalter bevorzugt als MOSFET-Schalter (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) oder Insulated Gate Bipolar Transistor(IGBT)-Schalter ausgebildet ist.
Ein zweiter Erfindungsaspekt betrifft ein Batteriemodul mit einer Koppeleinheit gemäß dem ersten Erfindungsaspekt, und wenigstens einer Batteriezelle, vorzugsweise einer Lithium-Ionen-Batteriezelle, welche zwischen den ersten Eingang und den zweiten Eingang der Koppeleinheit geschaltet ist, wobei ein erstes Terminal des Batteriemoduls mit dem ersten Ausgang der Koppeleinheit und ein zweites Terminal des Batteriemoduls mit dem zweiten Ausgang der Koppeleinheit verbunden sind. Soll die Spannung der wenigstens einen Batteriezelle am ersten und zweiten Terminal des Batteriemoduls in einer ersten Polarität zur Verfügung stehen, werden der erste Eingang der Koppeleinheit auf deren ersten Ausgang und der zweite Eingang der Koppeleinheit auf deren zweiten Ausgang durchgeschaltet. Soll hingegen eine Spannung einer entgegengesetzten Polarität ausgegeben werden, werden der erste Eingang mit dem zweiten Ausgang der Koppeleinheit und der zweite Eingang mit dem ersten Ausgang der Koppeleinheit verbunden. Dadurch kann das Batteriemodul eine Ausgangsspannung einer wählbaren Polarität ausgeben.
Ein dritter Erfindungsaspekt führt eine Batterie mit einem oder mehreren, vorzugsweise genau drei, Batteriemodulsträngen, ein. Dabei umfasst ein Batteriemodulstrang eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt. Die Batterie weist ferner eine Steuereinheit auf, welche ausgebildet ist, das erste und das zweite Steuersignal für die Koppeleinheiten zu erzeugen und an die Koppeleinheiten auszugeben.
Die Batterie besitzt die bereits oben dargestellten Vorteile der Möglichkeit der Erzeugung einer bipolaren Wechselspannung.
Ein vierter 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 fünfter Erfindungsaspekt führt ein Verfahren zum Erzeugen einer bipolaren Wechselspannung ein. Es besitzt wenigstens einen Schritt des Verbindens eines ersten Pols wenigstens einer Batteriezelle mit einem ersten Anschluss und des Verbindens eines zweiten Pols der wenigstens einen Batteriezelle mit einem zweiten Anschluss während einer ersten Zeitperiode sowie einen Schritt des Verbindens des zweiten Pols der wenigstens einen Batteriezelle mit dem ersten Anschluss und Verbinden des ersten Pols der wenigstens einen Batteriezelle mit dem zweiten Anschluss während einer auf die erste Zeitperiode folgenden zweiten Zeitperiode.
Die Verfahrensschritte werden bevorzugt wiederholt.
Das Verfahren kann außerdem zwischen der ersten Zeitperiode und der zweiten Zeitperiode sowie nach der zweiten Zeitperiode einen zusätzlichen Schritt des Abkoppelns wenigstens eines ausgewählten Pols von erstem und zweitem Pol der wenigstens einen Batteriezelle von dem ersten beziehungsweise zweiten Anschluss und des Verbindens des ersten Anschlusses mit dem zweiten Anschluss aufweisen.
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 Koppeleinheit gemäß der Erfindung,
4 eine erste Ausführungsform der Koppeleinheit,
5 eine zweite Ausführungsform der Koppeleinheit,
6 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriemoduls,
7 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie, und
8 ein Antriebssystem mit einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie.
Ausführungsformen der Erfindung
3 zeigt eine Koppeleinheit 30 gemäß der Erfindung. Die Koppeleinheit 30 besitzt zwei Eingänge 31 und 32 sowie zwei Ausgänge 33 und 34. Sie ist ausgebildet, entweder den ersten Eingang 31 mit dem ersten Ausgang 33 sowie den zweiten Eingang 32 mit dem zweiten Ausgang 34 zu verbinden oder aber den ersten Eingang 31 mit dem zweiten Ausgang 34 und den zweiten Eingang 32 mit dem ersten Ausgang 33 zu verbinden. Bei bestimmten Ausführungsformen der Koppeleinheit kann diese außerdem ausgebildet sein, beide Ausgänge 33, 34 miteinander zu verbinden, um eine Ausgangsspannung von 0 V zu erzeugen.
4 zeigt eine erste Ausführungsform der Koppeleinheit 30, bei der ein erster, ein zweiter, ein dritter und ein vierter Schalter 35, 36, 37 und 38 vorgesehen sind. Der erste Schalter 35 ist zwischen den ersten Eingang 31 und den ersten Ausgang 33 geschaltet, der zweite Schalter 36 ist zwischen den zweiten Eingang 32 und den zweiten Ausgang 34, der dritte Schalter 37 zwischen den ersten Eingang 31 und den zweiten Ausgang 34 und der vierte Schalter 38 zwischen den zweiten Eingang 32 und den ersten Ausgang 33 geschaltet. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Schalter 35, 36, 37 und 38 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 30 innerhalb einer geringen Zeit auf ein Steuersignal beziehungsweise eine Änderung des Steuersignals reagieren kann und hohe Umschaltraten erreichbar sind.
5 zeigt eine zweite Ausführungsform der Koppeleinheit 30, welche über einen ersten Wechselschalter 39 und einen zweiten Wechselschalter 40 verfügt. Es sind auch Ausführungsformen denkbar, bei denen nur einer der beiden Wechselschalter 39, 40 vorgesehen ist und der andere durch die Schalter 35 und 38 beziehungsweise 37 und 36 ersetzt wird. Die Wechselschalter 39, 40 besitzen die prinzipielle Eigenschaft, nur einen ihrer jeweiligen Eingänge auf ihren Ausgang durchschalten zu können, während der jeweils verbleibende Eingang abgekoppelt wird. Dies bietet den Vorteil, dass auch bei Fehlfunktion der eingesetzten Schalter oder Steuereinheit niemals der erste Eingang 31 der Koppeleinheit 30 mit dem zweiten Eingang 32 der Koppeleinheit 30 verbunden werden und so die angeschlossenen Batteriezellen kurzgeschlossen werden können. Die Wechselschalter 39 und 40 können besonders einfach als elektromechanische Schalter realisiert werden.
Die 6 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriemoduls 50. Eine Mehrzahl von Batteriezellen 51 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. Der erste Ausgang der Koppeleinheit 30 ist mit einem ersten Terminal 52 und der zweite Ausgang der Koppeleinheit 30 mit einem zweiten Terminal 53 verbunden. Wie bereits erklärt, bietet das Batteriemodul 50 den Vorteil, dass die Batteriezellen 51 durch die Koppeleinheit 30 in einer wählbaren Polarität mit den Terminals 52, 53 verbunden werden können, so dass eine Ausgangsspannung unterschiedlicher Vorzeichen erzeugt werden kann. Auch kann es möglich sein, beispielsweise durch Schließen der Schalter 36 und 38 und gleichzeitiges Öffnen der Schalter 35 und 37 (oder aber durch Öffnen der Schalter 36 und 38 sowie Schließen der Schalter 35 und 37), die Terminals 52 und 53 miteinander leitend zu verbinden und eine Ausgangsspannung von 0 V zu erzeugen.
7 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batterie, welche über n Batteriemodulstränge 60-1 bis 60-n verfügt. Jeder Batteriemodulstrang 60-1 bis 60-n weist eine Mehrzahl von Batteriemodulen 50 auf, wobei vorzugsweise jeder Batteriemodulstrang 60-1 bis 60-n dieselbe Anzahl von Batteriemodulen 50 und optional außerdem jedes Batteriemodul 50 dieselbe Anzahl von Batteriezellen in identischer Weise verschaltet enthält. Ein Pol eines jeden Batteriemodulstranges 60 kann mit einem entsprechenden Pol der anderen Batteriemodulstränge 60 verbunden sein, was durch eine gestrichelte Linie in 7 angedeutet ist. Generell kann ein Batteriemodulstrang 60 jede Zahl von Batteriemodulen 50 und eine Batterie jede Zahl von Batteriemodulsträngen 60 enthalten. Auch können an den Polen der Batteriemodulstränge 60 zusätzlich Lade- und Trenneinrichtungen und Trenneinrichtungen wie bei 2 vorgesehen sein, wenn Sicherheitsbestimmungen dies erfordern. Allerdings sind solche Trenneinrichtungen erfindungsgemäß nicht notwendig, wenn die verwendeten Batteriemodule 50 eine Abkopplung der Batteriezellen 51 von den Terminals 52, 53 durch die in den Batteriemodulen 50 enthaltenen Koppeleinheiten 30 erlauben.
8 zeigt ein Antriebssystem mit einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen. Batterie. Im gezeigten Beispiel besitzt die Batterie drei Batteriemodulstränge 60-1, 60-2 und 60-3, welche jeweils direkt an einen Eingang eines Antriebsmotors 13 angeschlossen sind. Da die meisten verfügbaren Elektromotoren auf einen Betrieb mit drei Phasensignalen 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 50 eines Batteriemodulstranges 60 mit wechselnder Polarität aktiviert und die verbleibenden Batteriemodule 50 des Batteriemodulstranges 60 deaktiviert (das heißt eine Ausgangsspannung von 0 V vorgibt), können geeignete (vorzugsweise näherungsweise sinusförmige) Phasensignale für den Antrieb des Antriebsmotors 13 bereitgestellt werden.
Die Erfindung besitzt außer den bereits genannten Vorteilen außerdem 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 30) 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, indem sie den Austausch von durch die jeweilige Koppeleinheit 30 abgekoppelten Batteriezellen im laufenden Betrieb der Gesamtvorrichtung ermöglichen.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Batterie ist, dass sie sehr einfach modular aus einzelnen Batteriemodulen 50 mit integrierter Koppeleinheit 30 aufgebaut werden kann. Dadurch wird die Verwendung von Gleichteilen (Baukastenprinzip) möglich.

Claims

Eine Koppeleinheit (30) für ein Batteriemodul (40), die Koppeleinheit (30) umfassend einen ersten Eingang (31), einen zweiten Eingang (32), einen ersten Ausgang (33) und einen zweiten Ausgang (34), dadurch gekennzeichnet, dass die Koppeleinheit (30) ausgebildet ist, auf ein erstes Steuersignal hin den ersten Eingang (31) mit dem ersten Ausgang (33) und den zweiten Eingang (32) mit dem zweiten Ausgang (34) zu verbinden und auf ein zweites Steuersignal hin den ersten Eingang (31) mit dem zweiten Ausgang (34) und den zweiten Eingang (32) mit dem ersten Ausgang (33) zu verbinden.
Die Koppeleinheit (30) gemäß Anspruch 1, welche außerdem ausgebildet ist, auf ein drittes Steuersignal hin den ersten Ausgang (33) mit dem zweiten Ausgang (34) zu verbinden.
Die Koppeleinheit (30) gemäß Anspruch 2, welche außerdem ausgebildet ist, auf das dritte Steuersignal hin wenigstens einen aus dem ersten Eingang (31) oder dem zweiten Eingang (32) ausgewählten Eingang (31, 32) von dem ersten Ausgang (33) oder dem zweiten Ausgang (34) abzutrennen.
Die Koppeleinheit (30) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit wenigstens einem Wechselschalter (39), welcher einen primärseitigen Anschluss und zwei sekundärseitige Anschlüsse aufweist, von denen der primärseitige Anschluss mit einem von erstem oder zweitem Ausgang (33, 34) der Koppeleinheit, ein erster der sekundärseitigen Anschlüsse mit dem. ersten Eingang (31) der Koppeleinheit und ein zweiter der sekundärseitigen Anschlüsse mit dem zweiten Eingang (32) der Koppeleinheit verbunden sind.
Die Koppeleinheit (30) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem ersten Schalter (35), welcher zwischen den ersten Eingang (31) und den ersten Ausgang (33) geschaltet ist, einem zweiten Schalter (36), welcher zwischen den zweiten Eingang (32) und den zweiten Ausgang (34) geschaltet ist, einem dritten Schalter (37), welcher zwischen den ersten Eingang (31) und den zweiten Ausgang (34) geschaltet ist, und einem vierten Schalter (38), welcher zwischen den zweiten Eingang (32) und den ersten Ausgang (33) geschaltet ist.
Die Koppeleinheit (30) gemäß Anspruch 5, bei der wenigstens einer von erstem Schalter (35), zweitem Schalter (36), drittem Schalter (37) oder viertem Schalter (38) als Halbleiterschalter, vorzugsweise als MOSFET-Schalter oder Insulated Gate Bipolar Transistor(IGBT)-Schalter ausgebildet ist.
Ein Batteriemodul (50) mit einer Koppeleinheit (30) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, und wenigstens einer Batteriezelle (51), vorzugsweise einer Lithium-Ionen-Batteriezelle, welche zwischen den ersten Eingang (31) und den zweiten Eingang (32) der Koppeleinheit (30) geschaltet ist, wobei ein erstes Terminal (52) des Batteriemoduls (50) mit dem ersten Ausgang (33) der Koppeleinheit (30) und ein zweites Terminal (53) des Batteriemoduls (50) mit dem zweiten Ausgang (34) der Koppeleinheit (30) verbunden sind.
Eine Batterie mit einem oder mehreren, vorzugsweise genau drei, Batteriemodulsträngen (60), wobei jeder Batteriemodulstrang (60) eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen (50) gemäß dem vorhergehenden Anspruch umfasst, und einer Steuereinheit, welche ausgebildet ist, das erste und das zweite Steuersignal für die Koppeleinheiten (30) zu erzeugen und an die Koppeleinheiten (30) auszugeben.
Ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor (13) zum Antreiben des Kraftfahrzeuges und einer mit dem elektrischen Antriebsmotor (13) verbundenen Batterie gemäß dem vorhergehenden Anspruch.
Ein Verfahren zum Erzeugen einer bipolaren Wechselspannung mit den folgenden Schritten: Verbinden eines ersten Pols wenigstens einer Batteriezelle (51) mit einem ersten Anschluss und Verbinden eines zweiten Pols der wenigstens einen Batteriezelle (51) mit einem zweiten Anschluss während einer ersten Zeitperiode; und Verbinden des zweiten Pols der wenigstens einen Batteriezelle (51) mit dem ersten Anschluss und Verbinden des ersten Pols der wenigstens einen Batteriezelle (51) mit dem zweiten Anschluss während einer auf die zweite Zeitperiode folgenden dritten Zeitperiode.