DE102011075384A1

DE102011075384A1 - Batteriedoppelmodul

Info

Publication number: DE102011075384A1
Application number: DE102011075384A
Authority: DE
Inventors: Ralph Schmidt; Stephan Rees; Stefan Butzmann; Holger Fink; Martin Lang
Original assignee: Robert Bosch GmbH; SB LiMotive Germany GmbH; SB LiMotive Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2011-05-06
Filing date: 2011-05-06
Publication date: 2012-11-08
Also published as: WO2012152594A2; WO2012152594A3

Abstract

Es wird ein Batteriedoppelmodul (110) mit einer ersten und einer zweiten Batteriezellgruppe (111, 112) beschrieben, wobei die erste und die zweite Batteriezellgruppe (111, 112) in Reihe geschaltet sind und jeweils wenigstens eine Batteriezelle (41), vorzugsweise eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, umfassen. Das Batteriedoppelmodul (110) umfasst eine erste und eine zweite Koppeleinheit (121, 122), wobei die erste und die zweite Koppeleinheit (121, 122) jeweils einen ersten Eingang (131, 132), einen zweiten Eingang (141, 142) und einen Ausgang (151, 152) umfassen und jeweils dazu ausgebildet sind, auf ein Steuersignal hin den ersten Eingang (131, 132) oder den zweiten Eingang (141, 142) mit dem Ausgang (151, 152) zu verbinden, und wobei der erste Eingang (131) der ersten Koppeleinheit (121) mit einem Pluspol (161) der ersten Batteriezellgruppe (111) verbunden ist, der zweite Eingang (142) der zweiten Koppeleinheit (122) mit einem Minuspol (172) der zweiten Batteriezellgruppe (112) verbunden ist, und wobei der zweite Eingang (141) der ersten Koppeleinheit (121), ein Minuspol (171) der ersten Batteriezellgruppe (111), der erste Eingang (132) der zweiten Koppeleinheit (122) und ein Pluspol (162) der zweiten Batteriezellgruppe (112) miteinander verbunden sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriedoppelmodul und eine Batterie mit einem solchen Batteriedoppelmodul.
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 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 14, 15 abzutrennen, um letztere spannungsfrei zu schalten. Aufgrund der hohen Gleichspannung der seriengeschalteten Batteriezellen ist andernfalls erhebliches Gefährdungspotential für Wartungspersonal oder dergleichen gegeben. In der Lade- und Trenneinrichtung 16 ist zusätzlich ein Ladeschütz 20 mit einem zu dem Ladeschütz 20 in Serie geschalteten Ladewiderstand 21 vorgesehen. Der Ladewiderstand 21 begrenzt einen Aufladestrom für den Kondensator 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 18 geschlossen und gegebenenfalls das Ladeschütz 20 geöffnet werden. Die Schütze 18, 19 und das Ladeschütz 20 erhöhen die Kosten für eine Batterie 10 nicht unerheblich, da hohe Anforderungen an ihre Zuverlässigkeit und an die von ihnen zu führenden Ströme gestellt werden.
Die Serienschaltung einer hohen Zahl von Batteriezellen bringt neben der hohen Gesamtspannung das Problem mit sich, dass die gesamte Batterie ausfällt, wenn eine einzige Batteriezelle ausfällt, weil der Batteriestrom wegen der Serienschaltung in allen Batteriezellen fließen können muss. Ein solcher Ausfall der Batterie kann zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen. Bei einem Elektrofahrzeug führt ein Ausfall der Antriebsbatterie zu einem so genannten Liegenbleiber, bei anderen Vorrichtungen wie zum Beispiel der Rotorblattverstellung bei Windkraftanlagen bei starkem Wind kann es sogar zu sicherheitsgefährdenden Situationen kommen. Daher ist eine hohe Zuverlässigkeit der Batterie vorteilhaft. Gemäß Definition bedeutet der Begriff „Zuverlässigkeit“ die Fähigkeit eines Systems, für eine vorgegebene Zeit korrekt zu arbeiten.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Batteriedoppelmodul zur Verfügung gestellt, welches eine erste und eine zweite Batteriezellgruppe umfasst. Die erste und die zweite Batteriezellgruppe sind in Reihe geschaltet und umfassen jeweils wenigstens eine Batteriezelle, vorzugsweise eine Lithium-Ionen-Batteriezelle. Das Batteriedoppelmodul umfasst des Weiteren eine erste und eine zweite Koppeleinheit. Beide Koppeleinheiten umfassen jeweils einen ersten Eingang, einen zweiten Eingang sowie einen Ausgang. Die beiden Koppeleinheiten sind jeweils dazu ausgebildet, auf ein Steuersignal hin den ersten Eingang oder den zweiten Eingang mit dem Ausgang zu verbinden. Der erste Eingang der ersten Koppeleinheit ist mit einem Pluspol der ersten Batteriezellgruppe verbunden. Der zweite Eingang der zweiten Koppeleinheit ist mit einem Minuspol der zweiten Batteriezellgruppe verbunden. Schließlich sind der zweite Eingang der ersten Koppeleinheit, ein Minuspol der ersten Batteriezellgruppe, der erste Eingang der zweiten Koppeleinheit und ein Pluspol der zweiten Batteriezellgruppe miteinander verbunden.
Die beiden unabhängig voneinander ansteuerbaren Koppeleinheiten ermöglichen es, eine oder mehrere Batteriezellen, welche der ersten oder der zweiten Batteriezellgruppe zugeordnet sind, so an die Ausgänge der beiden Koppeleinheiten zu koppeln, dass entweder die Summe der von den beiden Batteriezellgruppen erzeugten Spannung, eine von jeweils einer Batteriezellgruppe erzeugten Einzelspannung oder eine Spannung von 0 Volt von außen sichtbar ist. Die Zuverlässigkeit eines Batteriesystems kann somit gegenüber dem in 1 dargestellten massiv erhöht werden, weil der Ausfall einer einzelnen Batteriezelle nicht unmittelbar zum Ausfall des Batteriesystems führt.
Die Koppeleinheiten können jeweils einen Wechselschalter aufweisen, welcher ausgebildet ist, auf das Steuersignal hin entweder den ersten Eingang oder den zweiten Eingang mit dem Ausgang zu verbinden. Alternativ können die Koppeleinheiten jeweils einen ersten Schalter, welcher zwischen den ersten Eingang und den Ausgang geschaltet ist, und einen zweiten Schalter, welcher zwischen den zweiten Eingang und den Ausgang geschaltet ist, aufweisen. Eine solche Ausführung der Koppeleinheiten eignet sich besonders gut für eine Realisierung mit Halbleiterschaltern, wobei der erste Schalter und/oder der zweite Schalter bevorzugt als Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor(MOSFET)-Schalter oder Insulated Gate Bipolar Transistor(IGBT)-Schalter ausgebildet sind.
Typischerweise ist ein erstes Terminal des Batteriedoppelmoduls mit dem Ausgang der ersten Koppeleinheit verbunden. Ebenso ist ein zweites Terminal des Batteriedoppelmoduls mit dem Ausgang der zweiten Koppeleinheit verbunden. An den beiden Terminals liegt dann je nach Ansteuerung der beiden Koppeleinheiten eine stufig einstellbare Ausgangsspannung an.
Bevorzugt ist, dass die erste und die zweite Batteriezellgruppe jeweils die gleiche Anzahl von Batteriezellen umfassen.
Der zweite Eingang der ersten Koppeleinheit und der erste Eingang der zweiten Koppeleinheit können mit einem Mittelabgriff des Batteriemoduls verbunden sein, an welchem extern ein weiteres Potential abgreifbar ist, welches sich von den an den beiden Terminals des Batteriemoduls anliegenden Potentialen unterscheiden kann.
Ein zweiter Erfindungsaspekt führt eine Batterie, vorzugsweise eine Lithium-Ionen-Batterie, mit einem oder mehreren, vorzugsweise genau drei, Batteriemodulsträngen ein. Dabei umfasst ein Batteriemodulstrang eine Mehrzahl von in Serie geschalteten erfindungsgemäßen Batteriedoppelmodulen. Die Batterie weist ferner eine Steuereinheit auf, welche ausgebildet ist, das Steuersignal für die jeweiligen Koppeleinheiten zu erzeugen und an die Koppeleinheiten auszugeben.
Weisen die jeweiligen Koppeleinheiten, wie oben beschrieben, erste und zweite Schalter auf, kann die Steuereinheit ausgebildet sein, entweder den ersten Schalter einer ausgewählten Koppeleinheit zu schließen und den zweiten Schalter der ausgewählten Koppeleinheit zu öffnen, oder den ersten Schalter der ausgewählten Koppeleinheit zu öffnen und den zweiten Schalter der ausgewählten Koppeleinheit zu schließen, oder den ersten und den zweiten Schalter der ausgewählten Koppeleinheit zu öffnen. Werden sowohl der erste und der zweite Schalter geöffnet, wird das Batteriedoppelmodul hochohmig, wodurch der Stromfluss in dem Batteriemodulstrang unterbrochen wird. Dies kann im Wartungsfall nützlich sein, wo beispielsweise alle Batteriedoppelmodule eines Batteriemodulstranges in den hochohmigen Zustand versetzt werden können, um gefahrlos ein defektes Batteriemodul austauschen zu können. Dadurch werden die in 2 gezeigten Schütze 18 und 19 des Standes der Technik überflüssig, da bereits die Koppeleinheiten die Möglichkeit bieten, die Batterie an ihren beiden Polen spannungsfrei zu schalten.
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.
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, die in dem erfindungsgemäßen Batteriedoppelmodul einsetzbar ist,
4 eine erste Ausführungsform der Koppeleinheit,
5 eine zweite Ausführungsform der Koppeleinheit,
6 und 7 zwei Anordnungen der Koppeleinheit in einem Batteriemodul,
8 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriedoppelmoduls,
9 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie, und
10 ein Antriebssystem mit einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie.
Ausführungsformen der Erfindung
3 zeigt eine Koppeleinheit 30, die in dem erfindungsgemäßen Batteriedoppelmodul einsetzbar ist. 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. Bei bestimmten Ausführungsformen der Koppeleinheit kann diese außerdem ausgebildet sein, beide Eingänge 31, 32 vom Ausgang 33 abzutrennen. Nicht vorgesehen ist jedoch, sowohl den Eingang 31 als auch den Eingang 32 mit dem Ausgang 33 zu verbinden.
4 zeigt eine erste Ausführungsform der Koppeleinheit 30, welche über einen Wechselschalter 34 verfügt, welcher prinzipiell nur einen der beiden Eingänge 31, 32 mit dem Ausgang 33 verbinden kann, während der jeweils andere Eingang 31, 32 vom Ausgang 33 abgekoppelt wird. Der Wechselschalter 34 kann besonders einfach als elektromechanischer Schalter realisiert werden.
5 zeigt eine zweite Ausführungsform der Koppeleinheit 30, bei der ein erster und ein zweiter Schalter 35 beziehungsweise 36 vorgesehen sind. Jeder der Schalter 35, 36 ist zwischen einen der Eingänge 31 beziehungsweise 32 und den Ausgang 33 geschaltet. Im Gegensatz zu der Ausführungsform von 4 bietet diese Ausführungsform den Vorteil, dass auch beide Eingänge 31, 32 vom Ausgang 33 abgekoppelt werden können, so dass der Ausgang 33 hochohmig wird. Zudem können die Schalter 35, 36 einfach als Halbleiterschalter wie zum Beispiel Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor(MOSFET)-Schalter oder Insulated Gate Bipolar Transistor(IGBT)-Schalter verwirklicht werden. Halbleiterschalter haben den Vorteil eines günstigen Preises und einer hohen Schaltgeschwindigkeit, so dass die Koppeleinheit 30 innerhalb einer geringen Zeit auf ein Steuersignal beziehungsweise eine Änderung des Steuersignales reagieren kann und hohe Umschaltraten erreichbar sind.
Die 6 und 7 zeigen zwei Anordnungen der Koppeleinheit 30 in einem (einzelnen) Batteriemodul 40. Eine Mehrzahl von Batteriezellen 41 ist zwischen die Eingänge einer Koppeleinheit 30 in Serie geschaltet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine solche Serienschaltung von Batteriezellen beschränkt, es kann auch nur eine einzelne Batteriezelle vorgesehen sein oder aber eine Parallelschaltung oder gemischt-seriell-parallele Schaltung von Batteriezellen. Im Beispiel der 6 sind der Ausgang der Koppeleinheit 30 mit einem ersten Terminal 42 und der negative Pol der Batteriezellen 41 mit einem zweiten Terminal 43 verbunden. Es ist jedoch eine spiegelbildliche Anordnung wie in 7 möglich, bei der der positive Pol der Batteriezellen 41 mit dem ersten Terminal 42 und der Ausgang der Koppeleinheit 30 mit dem zweiten Terminal 43 verbunden sind.
Bei dem Zusammensetzen von Batteriemodulen 40 zu einem Batteriesystem wird jeweils das erste Terminal 42 eines Batteriemoduls 40 mit dem zweiten Terminal 43 eines darüber angeordneten (benachbarten) Batteriemoduls 40 verbunden. Werden jeweils nur Batteriemodule 40 gemäß der Ausführungsform von 6 oder von 7 aneinander gereiht, muss immer ein Pol der Batteriezellen 41 mit dem Ausgang einer Koppeleinheit 30 verbunden werden, was zu einer aufwendigen Verkabelung und einer Vielzahl an einzelnen Batteriemodulen 40 führt.
Daher ist erfindungsgemäß vorgesehen, die beiden einzelnen in 6 beziehungsweise 7 dargestellten Batteriemodule in einem Batteriedoppelmodul zusammenzuführen, wodurch der Verbindungs- und Verkabelungsaufwand drastisch gesenkt werden kann. Insbesondere können alle Batteriezellen der beiden beteiligten einzelnen Batteriemodule 40 zusammengefasst werden. Insgesamt wird der Verkabelungsaufwand innerhalb eines Batteriesystems auf diese Weise halbiert.
8 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriedoppelmoduls 110. Das Batteriedoppelmodul 110 umfasst eine erste und eine zweite Batteriezellgruppe 111, 112. Die beiden Batteriezellgruppen 111, 112 sind in Reihe geschaltet und umfassen jeweils wenigstens eine Batteriezelle 41. Das Batteriedoppelmodul 110 umfasst außerdem eine erste und eine zweite Koppeleinheit 121, 122. Die beiden Koppeleinheiten 121, 122 können wie in 3 bis 5 dargestellt ausgeführt sein. Sie umfassen jeweils einen ersten Eingang 131, 132, einen zweiten Eingang 141, 142 und einen Ausgang 151, 152. Die beiden Koppeleinheiten 121, 122 können jeweils so angesteuert werden, dass entweder ihr erster Eingang 131, 132 oder ihr zweiter Eingang 141, 142 mit ihrem Ausgang 151, 152 verbunden wird.
Der erste Eingang 131 der ersten Koppeleinheit 121 ist mit einem Pluspol 161 der ersten Batteriezellgruppe 111 verbunden. Symmetrisch dazu ist der zweite Eingang 142 der zweiten Koppeleinheit 122 mit einem Minuspol 172 der zweiten Batteriezellgruppe 112 verbunden. Eine Senkung des Verbindungs- und Verkabelungsaufwandes kommt dadurch zustande, dass der zweite Eingang 141 der ersten Koppeleinheit 121, ein Minuspol 171 der ersten Batteriezellgruppe 111, der erste Eingang 132 der zweiten Koppeleinheit 122 und ein Pluspol 162 der zweiten Batteriezellgruppe 112 miteinander verbunden sind.
Das Batteriedoppelmodul 110 umfasst ein erstes Terminal 181, welches mit dem Ausgang 151 der ersten Koppeleinheit 121 verbunden ist. Symmetrisch dazu ist ein zweites Terminal 182 mit dem Ausgang 152 der zweiten Koppeleinheit 122 verbunden. Zwischen den beiden Terminals 181, 182 ist je nach Ansteuerung der beiden Koppeleinheiten 121, 122 eine Spannung abgreifbar, welche einer Einzelspannung der ersten oder der zweiten Batteriezellgruppe 111, 112, einer Summe der beiden Einzelspannungen oder 0 Volt entspricht. Der zweite Eingang 141 der ersten Koppeleinheit 121, ein Minuspol 171 der ersten Batteriezellgruppe 111, der erste Eingang 132 der zweiten Koppeleinheit 122 und ein Pluspol 162 der zweiten Batteriezellgruppe 112 sind mit einem Mittelabgriff 150 verbunden, an welchem ein zusätzliches Potential abgegriffen werden kann, welches sich von den an den Terminals 181, 182 abgreifbaren Potentialen unterscheiden kann. Dieses in der Mitte des Batteriedoppelmoduls 110 abgreifbare Potential kann beispielsweise für die Speisung eines Multi-Level-Inverters verwendet werden.
Eine Ansteuerung und Diagnose der Koppeleinheiten 121, 122 erfolgt über eine Signalleitung 191, welche mit einem nicht dargestellten Steuergerät verbunden ist.
9 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie, welche über n Batteriemodulstränge 50-1 bis 50-n verfügt. Jeder Batteriemodulstrang 50-1 bis 50-n weist eine Mehrzahl von Batteriedoppelmodulen 110 auf, wobei vorzugsweise jeder Batteriemodulstrang 50-1 bis 50-n dieselbe Anzahl von Batteriedoppelmodulen 110 und jedes Batteriedoppelmodul 110 dieselbe Anzahl von Batteriezellen in identischer Weise verschaltet enthält. Ein Pol eines jeden Batteriemodulstranges kann mit einem entsprechenden Pol der anderen Batteriemodulstränge verbunden sein, was durch eine gestrichelte Linie in 9 angedeutet ist. Generell kann ein Batteriemodulstrang jede Zahl von Batteriedoppelmodulen 110 größer 1 und eine Batterie jede Zahl von Batteriemodulsträngen enthalten. Auch können an den Polen der Batteriemodulstränge zusätzlich Lade- und Trenneinrichtungen wie bei 2 vorgesehen sein, wenn Sicherheitsbestimmungen dies erfordern. Allerdings sind solche Trenneinrichtungen erfindungsgemäß nicht notwendig, weil eine Abkopplung der Batteriezellen von den Batterieanschlüssen durch die in den Batteriedoppelmodulen 110 enthaltenen Koppeleinheiten 121, 122 erfolgen kann.
10 zeigt ein Antriebssystem mit einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie. Im gezeigten Beispiel besitzt die Batterie drei Batteriemodulstränge 50-1, 50-2 und 50-3, 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 entweder alle Batteriedoppelmodule 110 eines Batteriemodulstranges aktiviert oder deaktiviert, stehen am Ausgang des Batteriemodulstranges entweder 0 V oder die volle Ausgangsspannung des Batteriemodulstranges zur Verfügung. Durch geeignete Ansteuerung wie bei einem Pulswechselrichter, beispielsweise durch Pulsweitenmodulation, können so geeignete 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 121, 122) 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 des Gesamtsystems sowie die Lebensdauer der Batterie.
Ein weiterer Vorteil der Batterie mit integriertem Pulswechselrichter ist, dass sie sehr einfach modular aus einzelnen Batteriedoppelmodulen mit integrierten Koppeleinheiten aufgebaut werden kann. Dadurch wird die Verwendung von Gleichteilen (Baukastenprinzip) möglich.

Claims

Batteriedoppelmodul (110) mit einer ersten und einer zweiten Batteriezellgruppe (111, 112), wobei die erste und die zweite Batteriezellgruppe (111, 112) in Reihe geschaltet sind und jeweils wenigstens eine Batteriezelle (41), vorzugsweise eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriedoppelmodul (110) eine erste und eine zweite Koppeleinheit (121, 122) umfasst, wobei die erste und die zweite Koppeleinheit (121, 122) jeweils einen ersten Eingang (131, 132), einen zweiten Eingang (141, 142) und einen Ausgang (151, 152) umfassen und jeweils dazu ausgebildet sind, auf ein Steuersignal hin den ersten Eingang (131, 132) oder den zweiten Eingang (141, 142) mit dem Ausgang (151, 152) zu verbinden, und wobei der erste Eingang (131) der ersten Koppeleinheit (121) mit einem Pluspol (161) der ersten Batteriezellgruppe (111) verbunden ist, der zweite Eingang (142) der zweiten Koppeleinheit (122) mit einem Minuspol (172) der zweiten Batteriezellgruppe (112) verbunden ist, und wobei der zweite Eingang (141) der ersten Koppeleinheit (121), ein Minuspol (171) der ersten Batteriezellgruppe (111), der erste Eingang (132) der zweiten Koppeleinheit (122) und ein Pluspol (162) der zweiten Batteriezellgruppe (112) miteinander verbunden sind.
Batteriedoppelmodul (110) gemäß Anspruch 1, wobei die erste und/oder die zweite Koppeleinheit (121, 122) einen Wechselschalter (34) umfassen, welcher ausgebildet ist, auf das Steuersignal hin entweder den ersten Eingang (131, 132) oder den zweiten Eingang (141, 142) mit dem Ausgang (151, 152) zu verbinden.
Batteriedoppelmodul (110) gemäß Anspruch 1, wobei die erste und/oder die zweite Koppeleinheit (121, 122) einen ersten Schalter (35), welcher zwischen den ersten Eingang (131, 132) und den Ausgang (151, 152) geschaltet ist, und einen zweiten Schalter (36), welcher zwischen den zweiten Eingang (141, 142) und den Ausgang (151, 152) geschaltet ist, umfassen.
Batteriedoppelmodul (110) gemäß Anspruch 3, wobei der erste Schalter (35) und/oder der zweite Schalter (36) als Halbleiterschalter, vorzugsweise als Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor(MOSFET)-Schalter oder Insulated Gate Bipolar Transistor(IGBT)-Schalter ausgebildet sind.
Batteriedoppelmodul (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein erstes Terminal (181) des Batteriedoppelmoduls (110) mit dem Ausgang (151) der ersten Koppeleinheit (121) und/oder ein zweites Terminal (182) des Batteriedoppelmoduls (110) mit dem Ausgang (152) der zweiten Koppeleinheit (122) verbunden sind.
Batteriedoppelmodul (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und die zweite Batteriezellgruppe (111, 112) jeweils die gleiche Anzahl von Batteriezellen (41) umfassen.
Batteriedoppelmodul (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Eingang (141) der ersten Koppeleinheit (121) und der erste Eingang (132) der zweiten Koppeleinheit (122) mit einem Mittelabgriff (150) des Batteriedoppelmoduls (110) verbunden sind.
Batterie mit einem oder mehreren, vorzugsweise genau drei, Batteriemodulsträngen (50), wobei ein Batteriemodulstrang (50) eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriedoppelmodulen (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst, und einer Steuereinheit, welche ausgebildet ist, das Steuersignal für die ersten und die zweiten Koppeleinheiten (121, 122) zu erzeugen und an diese auszugeben.
Batterie gemäß Anspruch 8, wobei die ersten und die zweiten Koppeleinheiten (121, 122) gemäß einem der Ansprüche 3 oder 4 ausgebildet sind und bei der die Steuereinheit ausgebildet ist, entweder den ersten Schalter (35) einer ausgewählten Koppeleinheit (121, 122) zu schließen und den zweiten Schalter (36) der ausgewählten Koppeleinheit (121, 122) zu öffnen, oder den ersten Schalter (35) der ausgewählten Koppeleinheit (121, 122) zu öffnen und den zweiten Schalter (36) der ausgewählten Koppeleinheit (121, 122) zu schließen, oder den ersten und den zweiten Schalter (35, 36) der ausgewählten Koppeleinheit (121, 122) zu öffnen.
Ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor (13) zum Antreiben des Kraftfahrzeuges und einer mit dem elektrischen Antriebsmotor (13) verbundenen Batterie gemäß einem der Ansprüche 8 bis 9.