DE102011087031A1

DE102011087031A1 - Batteriemodulstrang

Info

Publication number: DE102011087031A1
Application number: DE102011087031A
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: 2011-11-24
Filing date: 2011-11-24
Publication date: 2013-05-29
Also published as: WO2013075863A3; WO2013075863A2

Abstract

Es wird ein Batteriemodulstrang (50-1, 50-2, 50-3) offenbart, welcher eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Batteriemodulen (40-1, ..., 40-n) umfasst. Jedes Batteriemodul (40-1, ..., 40-n) umfasst wenigstens einen elektrischen Energiespeicher (41), wenigstens eine Koppeleinheit (30, 70), einen ersten Anschluss (42) und einen zweiten Anschluss (43) und ist dazu ausgebildet, in Abhängigkeit einer Ansteuerung der Koppeleinheit (30, 70) einen von mindestens zwei Schaltzuständen einzunehmen, wobei verschiedene Schaltzustände unterschiedlichen Spannungswerten zwischen dem ersten Anschluss (42) und dem zweiten Anschluss (43) des Batteriemoduls (40-1, ..., 40-n) entsprechen und wobei sich die elektrischen Energiespeicher (41) der Batteriemodule (40-1, ..., 40-n) bezüglich mindestens einer Eigenschaft unterscheiden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Batteriemodulstrang sowie eine Batterie mit dem erfindungsgemäßen Batteriemodulstrang.
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 einer üblichen elektrischen Antriebseinheit, wie sie 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 Zwischenkreiskondensator 11 gepuffert wird. An den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen ist ein Pulswechselrichter 12, der über jeweils zwei schaltbare Halbleiterventile und zwei Dioden an drei Abgriffen 14-1, 14-2, 14-3 gegeneinander phasenversetzte Sinusströme für den Betrieb eines elektrischen Antriebsmotors 13 bereitstellt. Die Kapazität des Zwischenkreiskondensators 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.
Nachteilig bei der in 1 dargestellten Anordnung ist, dass die schwächste Batteriezelle in der Batterie 10 die Reichweite bestimmt, und dass der Defekt einer einzelnen Batteriezelle bereits zu einem Liegenbleiber des ganzen Fahrzeugs führt. Zudem führt die Modulation der hohen Spannungen im Pulswechselrichter 12 zu hohen Schaltverlusten und – da wegen der hohen Spannungen typischerweise Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)-Schalter eingesetzt werden müssen – ebenfalls zu hohen Durchlassverlusten.
Nachteilig ist außerdem, dass im System enthaltene Batteriezellen oder -module von dem gleichen Strom durchflossen werden und somit nicht einzeln ansteuerbar sind. Es besteht daher keine Möglichkeit, auf verschiedene Zustände von einzelnen Batteriezellen Einfluss zu nehmen.
Des Weiteren ist die in 1 dargestellte elektrische Antriebseinheit nicht optimal an die in Elektrofahrzeugen benötigten Leistungen angepasst. 2 zeigt ein Diagramm, in welchem das von einem elektrischen Motor benötigte Drehmoment M gegen die Drehzahl n für typische Fahrzyklen skizziert ist. In einem ersten Bereich 21, welcher dem Anfahren des Fahrzeugs entspricht, wird ein hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen benötigt. Hierbei fließen hohe Ströme, die erforderliche Spannung ist jedoch eher gering. In einem zweiten Bereich 22, welcher der normalen Fahrt entspricht, nachdem das Fahrzeug in Bewegung gesetzt wurde, werden nur geringe Drehmomente benötigt, so dass selbst bei hohen Geschwindigkeiten meist mit niedrigen Strömen gefahren werden kann. Nur selten dagegen wird ein dritter Bereich 23 relevant, in dem hohe Drehzahlen und hohe Drehmomente zugleich benötigt werden. In diesem Bereich benötigt der elektrische Motor hohe Ströme sowie hohe Spannungen, so dass eine erhöhte elektrische Leistung verbraucht wird. Der dritte Bereich 23 entspricht beispielsweise einer Bergauf-Fahrt bei voller Geschwindigkeit. Die in 1 dargestellte Anordnung reagiert nur unflexibel auf die verschiedenen Erfordernisse der Bereiche 21 bis 23.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Batteriemodulstrang bereitgestellt, welcher eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Batteriemodulen umfasst. Jedes der Batteriemodule umfasst wenigstens einen elektrischen Energiespeicher (beispielsweise eine Batteriezelle), wobei gewöhnlicherweise eine Mehrzahl von elektrischen Energiespeichern oder Batteriezellen vorgesehen sein kann. Jedes der Batteriemodule umfasst weiterhin eine Koppeleinheit, einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss und ist dazu ausgebildet, in Abhängigkeit einer Ansteuerung der Koppeleinheit einen von mindestens zwei Schaltzuständen einzunehmen, wobei verschiedene Schaltzustände unterschiedlichen Spannungswerten zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss des Batteriemoduls entsprechen. Dies heißt, dass in den verschiedenen Schaltzuständen unterschiedliche Spannungswerte zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss des Batteriemoduls abgreifbar sind. Hierdurch können an einem Ausgang des Batteriemodulstranges verschiedene Gesamtspannungswerte generiert werden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass sich die elektrischen Energiespeicher der Batteriemodule bezüglich mindestens einer Eigenschaft unterscheiden, insbesondere bezüglich ihrer Energiedichte und/oder ihrer maximal abgebbaren oder aufnehmbaren elektrischen Leistung.
Im Rahmen der Erfindung ist es nicht erforderlich, dass sich der elektrische Energiespeicher eines Batteriemoduls von dem jedes einzelnen anderen Batteriemoduls bezüglich der Eigenschaft unterscheidet. Vielmehr reicht es aus, dass es mindestens ein Batteriemodul gibt, dessen elektrischer Energiespeicher sich von den elektrischen Energiespeichern der restlichen Batteriemodule unterscheidet. Typischerweise gibt es eine erste Anzahl von Batteriemodulen mit elektrischen Energiespeichern eines ersten Typs sowie eine zweite Anzahl von Batteriemodulen mit elektrischen Energiespeichern eines zweiten Typs. Die elektrischen Energiespeicher des ersten Typs weisen eine höhere Energiedichte (oder aber eine höhere maximal abgebbare oder aufnehmbare elektrische Leistung) als die elektrischen Energiespeicher des zweiten Typs auf. Problemlos lässt sich die Erfindung auf den Fall von mehr als zwei Typen von elektrischen Energiespeichern ausweiten.
Ein Vorteil der sich unterscheidenden Eigenschaften der elektrischen Energiespeicher ist, dass es nicht notwendig ist, dafür zu sorgen, dass die in einem Batteriesystem verbundenen Batteriezellen gleiche Eigenschaften bezüglich Kapazität oder Energiedichte haben. Außerdem wird eine erhöhte Sicherheit und Zuverlässigkeit in einem Batteriesystem erreicht, da ein defekter elektrischer Energiespeicher nicht zum Totalausfall des Gesamtsystems führt.
Die Batteriemodule können in Bezug auf die von ihnen zur Verfügung gestellten Schaltzustände unterschiedlich ausgebildet sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Batteriemodul eine Koppeleinheit, welche dazu ausgebildet ist, auf ein erstes Steuersignal hin den wenigstens einen elektrischen Energiespeicher zwischen den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss zu schalten und auf ein zweites Steuersignal hin den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss zu verbinden, wodurch der elektrische Energiespeicher überbrückt wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Batteriemodul dazu ausgebildet, in Abhängigkeit einer Ansteuerung der Koppeleinheit wahlweise einen von mindestens drei Schaltzuständen einzunehmen. In einem ersten Schaltzustand sind der erste Anschluss und der zweite Anschluss des Batteriemoduls verbunden. In einem zweiten Schaltzustand ist der wenigstens eine elektrische Energiespeicher zwischen den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss mit einer ersten (zum Beispiel positiven) Polarität geschaltet. In einem dritten Schaltzustand ist der wenigstens eine elektrische Energiespeicher zwischen den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss mit einer der ersten entgegengesetzten (im gleichen Beispiel negativen) Polarität geschaltet.
Um zu erreichen, dass die elektrischen Energiespeicher der Batteriemodule sich wie vorgesehen unterscheiden, kann der elektrische Energiespeicher mindestens eines Batteriemoduls als Leistungszelle, Energiezelle oder als Doppelschichtkondensator, insbesondere als Superkondensator oder Ultrakondensator, ausgebildet sein.
Hierbei versteht man unter einer Leistungszelle eine Batteriezelle, welche dazu ausgebildet (optimiert) ist, innerhalb eines kurzen Zeitintervalls eine hohe elektrische Leistung abzugeben oder aufzunehmen, indem sie einen hohen Stromfluss erlaubt. Leistungszellen weisen für gewöhnlich einen geringen Innenwiderstand auf, was dadurch erreicht werden kann, dass die Aktivschichten der Elektroden dünner und die Stromableiter dicker ausgeführt werden als in anderen Typen von Batteriezellen. Hierdurch sinkt jedoch im Vergleich zu anderen Typen von Batteriezellen die Energiedichte.
Unter einer Energiezelle wird eine Batteriezelle verstanden, die dazu ausgebildet (optimiert) ist, eine möglichst hohe Energiedichte bereitzustellen, was wiederum über dickere Aktivmaterialschichten an den Elektroden und dünnere Stromableiter erreicht wird, wodurch hier wiederum kein besonders hoher Stromfluss möglich ist.
Doppelschichtkondensatoren sind elektrische Energiespeicher, deren Kapazitätswert sich einerseits aus einer statischen Kapazität in Helmholtz-Doppelschichten und andererseits aus einer elektro-chemischen Pseudokapazität zusammensetzt. Hierdurch werden Kondensatoren bereitgestellt, welche besonders hohe Kapazitätswerte haben und innerhalb kürzester Zeit sehr viel elektrische Leistung aufnehmen oder abgeben können. Nachteil ist eine geringere Spannungsfestigkeit. Besondere Ausbildungen sind Superkondensatoren oder Ultrakondensatoren, welche eine besonders hohe spezifische Kapazität aufweisen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Batterie mit mindestens einem erfindungsgemäßen Batteriemodulstrang, typischerweise genau drei Batteriemodulsträngen, welche an die drei Eingänge eines Drehstrommotors angeschlossen werden können. Bevorzugt handelt es sich bei der Batterie um eine Lithium-Ionen-Batterie. Weiter ist bevorzugt, dass die Batterie ein zur Ansteuerung der Koppeleinheiten ausgebildetes Steuergerät umfasst.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Antriebseinheit mit mindestens einem elektrischen Motor sowie mit mindestens einem erfindungsgemäßen Batteriemodulstrang, wobei der Ausgang des Batteriemodulstrangs an einem Eingang des elektrischen Motors oder an einem Eingang eines Pulswechselrichters angeschlossen ist. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Antriebseinheit drei Batteriemodulstränge, deren Ausgänge an die drei Eingänge eines Drehstrommotors angeschlossen sind.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen Antriebseinheit.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines erfindungsgemäßen Batteriemodulstranges. Hierbei werden in Abhängigkeit einer Betriebssituation an der Bereitstellung einer Ausgangsspannung des Batteriemodulstranges bevorzugt solche Batteriemodule beteiligt, deren elektrische Energiespeicher eher an die jeweilige Betriebssituation angepasst sind als die der restlichen Batteriemodule. Beispielsweise können in einer Situation, in welcher eine hohe elektrische Leistung benötigt wird, bevorzugt diejenigen Batteriemodule an der Bereitstellung der Ausgangsspannung des Batteriemodulstranges beteiligt werden, deren elektrische Energiespeicher eine höhere maximal abgebbare elektrische Leistung aufweisen als die der restlichen Batteriemodule. Bevorzugt werden hierzu Leistungszellen verwendet. Umgekehrt werden in einer Situation, in welcher keine besonders hohe Leistungen benötigt werden, bevorzugt diejenigen Batteriemodule an der Bereitstellung der Ausgangsspannung beteiligt, deren elektrische Energiespeicher eine höhere Energiedichte haben als die der restlichen Batteriemodule. Bevorzugt werden hierzu Energiezellen verwendet.
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 eine elektrische Antriebseinheit gemäß dem Stand der Technik,
2 ein Diagramm, in welchem das von einem elektrischen Motor benötigte Drehmoment M gegen die Drehzahl n für typische Fahrzyklen aufgetragen ist,
3 eine Koppeleinheit, die in dem erfindungsgemäßen Batteriemodulstrang verwendbar ist,
4 eine erste Ausführungsform der Koppeleinheit,
5 eine zweite Ausführungsform der Koppeleinheit,
6 die zweite Ausführungsform der Koppeleinheit in einer einfachen Halbleiterschaltung,
7 und 8 zwei Anordnungen der Koppeleinheit in einem Batteriemodul,
9 die in 6 dargestellte Koppeleinheit in der in 7 dargestellten Anordnung,
10 eine elektrische Antriebseinheit mit drei Batteriemodulsträngen,
11 eine Ansteuerung der in 10 gezeigten elektrischen Antriebseinheit durch ein Steuergerät,
12 eine Ausführungsform der Koppeleinheit, welche ermöglicht, dass zwischen den Anschlüssen eines Batteriemoduls eine Spannung mit wählbarer Polarität anliegt, und
13 eine Ausführungsform des Batteriemoduls mit der in 12 dargestellten Koppeleinheit.
Ausführungsformen der Erfindung
3 zeigt eine Koppeleinheit 30, die in dem erfindungsgemäßen Batteriemodulstrang verwendbar ist. Die Koppeleinheit 30 besitzt zwei Eingänge 31 und 32 sowie einen Ausgang 33 und ist dazu 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 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 Steuersignals reagieren kann und hohe Umschaltraten erreichbar sind.
6 zeigt die zweite Ausführungsform der Koppeleinheit in einer einfachen Halbleiterschaltung, bei welcher jeder der Schalter 35, 36 aus jeweils einem ein- und ausschaltbaren Halbleiterventil und einer zu diesem antiparallel geschalteten Diode besteht.
Die 7 und 8 zeigen zwei Anordnungen der Koppeleinheit 30 in einem 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 7 sind der Ausgang der Koppeleinheit 30 mit einem ersten Anschluss 42 und der negative Pol der Batteriezellen 41 mit einem zweiten Anschluss 43 verbunden. Es ist jedoch eine spiegelbildliche Anordnung wie in 8 möglich, bei der der positive Pol der Batteriezellen 41 mit dem ersten Anschluss 42 und der Ausgang der Koppeleinheit 30 mit dem zweiten Anschluss 43 verbunden sind.
9 zeigt die in 6 dargestellte Koppeleinheit 30 in der in 7 dargestellten Anordnung. Eine Ansteuerung und Diagnose der Koppeleinheiten 30 erfolgt über eine Signalleitung 44, welche mit einem nicht dargestellten Steuergerät verbunden ist. Insgesamt ist es möglich, zwischen den Anschlüssen 42 und 43 des Batteriemoduls 40 entweder 0 Volt oder eine Spannung U_mod einzustellen.
10 zeigt eine elektrische Antriebseinheit mit einem elektrischen Drehstrommotor 13, dessen drei Phasen mit drei Batteriemodulsträngen 50-1, 50-2, 50-3 verbunden sind. Jeder der drei Batteriemodulstränge 50-1, 50-2, 50-3 besteht aus einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen 40-1, ..., 40-n, die jeweils eine Koppeleinheit 30 umfassen und wie in 7 oder 8 dargestellt aufgebaut sind. Bei dem Zusammensetzen von Batteriemodulen 40-1, ..., 40-n zu einem der Batteriemodulstränge 50-1, 50-2, 50-3 wird jeweils der erste Anschluss 42 eines Batteriemoduls 40-1, ..., 40-n mit dem zweiten Anschluss 43 eines benachbarten Batteriemoduls 40-1, ..., 40-n verbunden. Auf diese Weise kann eine gestufte Ausgangsspannung in jedem der drei Batteriemodulstränge 50-1, 50-2, 50-3 erzeugt werden.
Ein in 11 gezeigtes Steuergerät 60 ist dazu ausgebildet, an eine variable Anzahl von Batteriemodulen 40-1, ..., 40-n in m Batteriemodulsträngen 50-1, 50-2, ... 50-m über einen Datenbus 61 ein erstes Steuersignal auszugeben, durch welches die Koppeleinheiten 30 der so angesteuerten Batteriemodule 40-1, ..., 40-n die Batteriezelle (beziehungsweise die Batteriezellen) 41 zwischen den ersten Anschluss 42 und den zweiten Anschluss 43 des jeweiligen Batteriemoduls 40-1, ..., 40-n schalten. Gleichzeitig gibt das Steuergerät 60 an die restlichen Batteriemodule 40-1, ..., 40-n ein zweites Steuersignal aus, durch welches die Koppeleinheiten 30 dieser restlichen Batteriemodule 40-1, ..., 40-n den ersten Anschluss 42 und den zweiten Anschluss 43 des jeweiligen Batteriemoduls 40-1, ..., 40-n verbinden, wodurch dessen Batteriezellen 41 überbrückt werden.
Durch geeignete Ansteuerung der Mehrzahl von Batteriemodulen 40-1, ..., 40-n in den drei Batteriemodulsträngen 50-1, 50-2, 50-3 können somit drei sinusförmige Ausgangsspannungen erzeugt werden, die den elektrischen Motor 13 in der gewünschten Form ohne Einsatz eines zusätzlichen Pulswechselrichters ansteuern.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die in einem der drei Batteriemodulstränge 50-1, 50-2, 50-3 verwendeten Batteriemodule 40-1, ..., 40-n dazu ausgebildet sind, ihre Batteriezellen 41 derart zwischen den ersten Anschluss 42 und den zweiten Anschluss 43 zu schalten, dass eine Polarität der zwischen dem ersten Anschluss 42 und dem zweiten Anschluss 43 anliegenden Spannung in Abhängigkeit einer Ansteuerung der Koppeleinheit wählbar ist.
12 zeigt eine Ausführungsform der Koppeleinheit 70, welche dies ermöglicht und bei welcher ein erster, ein zweiter, ein dritter und ein vierter Schalter 75, 76, 77 und 78 vorgesehen sind. Der erste Schalter 75 ist zwischen einen ersten Eingang 71 und einen ersten Ausgang 73 geschaltet, der zweite Schalter 76 ist zwischen einen zweiten Eingang 72 und einen zweiten Ausgang 74, der dritte Schalter 77 zwischen den ersten Eingang 71 und den zweiten Ausgang 74 und der vierte Schalter 78 zwischen den zweiten Eingang 72 und den ersten Ausgang 73 geschaltet.
Die 13 zeigt eine Ausführungsform des Batteriemoduls 40 mit der in 12 dargestellten Koppeleinheit. Der erste Ausgang der Koppeleinheit 70 ist mit dem ersten Anschluss 42 und der zweite Ausgang der Koppeleinheit 70 mit dem zweiten Anschluss 43 des Batteriemoduls 40 verbunden. Das so aufgebaute Batteriemodul 40 hat den Vorteil, dass die Batteriezellen 41 durch die Koppeleinheit 70 in einer wählbaren Polarität mit den Anschlüssen 42, 43 verbunden werden können, so dass eine Ausgangsspannung unterschiedlicher Vorzeichen erzeugt werden kann. Auch kann es möglich sein, beispielsweise durch Schließen der Schalter 76 und 78 und gleichzeitiges Öffnen der Schalter 75 und 77 (oder aber durch Öffnen der Schalter 76 und 78 sowie Schließen der Schalter 75 und 77), die Anschlüsse 42 und 43 miteinander leitend zu verbinden und eine Ausgangsspannung von 0 V zu erzeugen. Insgesamt ist es somit möglich, zwischen den Anschlüssen 42 und 43 des Batteriemoduls 40 entweder 0 Volt, die Spannung U_mod oder die Spannung –U_mod einzustellen.
Um zu erreichen, dass die in 10 dargestellte elektrische Antriebseinheit mit drei Batteriemodulsträngen geeignet auf verschiedene Betriebssituationen reagieren kann, wie sie beispielsweise in 2 dargestellt sind, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in den Batteriemodulen 40-1, ..., 40-n nicht jeweils Batteriezellen 41 mit den gleichen Eigenschaften verwendet werden, sondern stattdessen allgemein elektrische Energiespeicher, welche sich bezüglich ihrer Energiedichte und/oder ihrer maximal abgebbaren oder aufnehmbaren elektrischen Leistung unterscheiden. So werden die Batteriemodule 40-1, ..., 40-n in jedem der Batteriemodulstränge 50-1, 50-2, 50-3 in drei Gruppen geteilt. Eine erste Gruppe umfasst k Batteriemodule, welche als elektrische Energiespeicher 41 Leistungszellen verwenden. Eine zweite Gruppe umfasst l Batteriemodule, welche als elektrische Energiespeicher 41 Energiezellen verwenden. Eine dritte Gruppe umfasst m Batteriemodule, welche als elektrische Energiespeicher 41 Ultrakondensatoren verwenden (es gilt k + l + m = n). In jedem der Batteriemodule 40-1, ...., 40-n kann jeweils ein einziger elektrischer Energiespeicher 41 oder aber eine Vielzahl von elektrischen Energiespeichern, welche in Reihe oder parallel geschaltet sind, verwendet werden.
Die Batteriemodule 40-1, ..., 40-n der Batteriemodulstränge 50-1, 50-2, 50-3 der in 10 dargestellten elektrischen Antriebseinheit werden nun geeignet angesteuert, um auf eine aktuelle Betriebssituation zu reagieren. In einer Situation, welche dem ersten Bereich 21 in 2 entspricht, werden hohe Ströme benötigt, so dass in dieser Situation bevorzugt Batteriemodule der ersten Gruppe, welche Leistungszellen umfassen, für die Bereitstellung der Ausgangsspannung des Batteriemodulstrangs 50-1, 50-2, 50-3 beteiligt (möglich ist es hier auch, Batteriemodule der dritten Gruppe zu beteiligen). Dagegen wird in einer Situation, welche dem zweiten Bereich 22 und somit einer normalen Fahrt entspricht, bevorzugt die zweite Gruppe von Batteriemodulen, welche Energiezellen verwendet, an der Spannungserzeugung beteiligt.
Die Batteriemodule der dritten Gruppe, in welcher als elektrische Energiespeicher Ultrakondensatoren verwendet werden, können auch dazu verwendet werden, möglichst schnell elektrische Energie zu speichern, wenn die Betriebssituation eine Energierückgewinnung (Rekuperation) erlaubt. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn der elektrische Motor 13 als Generator betrieben wird. Hierzu werden durch geeignete Ansteuerung der Koppelelemente die Ultrakondensatoren in den Batteriemodulen der dritten Gruppe mit geeigneter Polarität zwischen den ersten und zweiten Anschluss des jeweiligen Batteriemoduls geschaltet. Zu einem späteren Zeitpunkt ist es möglich, die kurzfristig gespeicherte elektrische Energie an weitere Batteriemodule im gleichen Batteriemodulstrang 50-1, 50-2, 50-3 zu verteilen. Dadurch wird sichergestellt, dass die Ultrakondensatoren für die nächste Rekuperation bereit sind und Energie aufnehmen können.
In einem weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Enden (Ausgänge) eines einzigen Batteriemodulstrangs mit den oben beschriebenen Eigenschaften, welcher also die genannten drei Gruppen von Batteriemodulen 40-1, ..., 40-n umfasst, anstelle der Batterie 10 an zwei Eingänge des Pulswechselrichters 12 in der in 1 gezeigten Anordnung geschaltet. Hierdurch können an der Bereitstellung der an den Pulswechselrichter 12 gelieferten Spannung diejenigen Batteriemodule 40-1, ..., 40-n beteiligt werden, deren elektrische Energiespeicher am besten an die jeweilige Betriebssituation angepasst sind.
Für das Gesamtsystem ist es nicht entscheidend, dass alle elektrischen Energiespeicher homogene Zustände (Temperatur, Kapazität) aufweisen. Die elektrischen Energiespeicher, die für die aktuelle Betriebssituation ungeeignet sind, werden überbrückt, das heißt, sie werden an der Bereitstellung der Ausgangsspannung ihres Batteriemodulstranges nicht beteiligt. Hierdurch können auch elektrische Energiespeicher unterschiedlicher Kapazität eingesetzt werden. Bauräume können durch den Einsatz angepasster elektrischer Energiespeicher besser genutzt werden.

Claims

Batteriemodulstrang (50-1, 50-2, 50-3), dadurch gekennzeichnet, dass der Batteriemodulstrang (50-1, 50-2, 50-3) eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Batteriemodulen (40-1, ..., 40-n) umfasst, wobei jedes Batteriemodul (40-1, ..., 40-n) wenigstens einen elektrischen Energiespeicher (41), insbesondere wenigstens eine Batteriezelle, wenigstens eine Koppeleinheit (30, 70), einen ersten Anschluss (42) und einen zweiten Anschluss (43) umfasst und dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit einer Ansteuerung der Koppeleinheit (30, 70) einen von mindestens zwei Schaltzuständen einzunehmen, wobei verschiedene Schaltzustände unterschiedlichen Spannungswerten zwischen dem ersten Anschluss (42) und dem zweiten Anschluss (43) des Batteriemoduls (40-1, ..., 40-n) entsprechen und wobei sich die elektrischen Energiespeicher (41) der Batteriemodule (40-1, ..., 40-n) bezüglich mindestens einer Eigenschaft, insbesondere bezüglich ihrer Energiedichte und/oder ihrer maximal abgebbaren oder aufnehmbaren elektrischen Leistung, unterscheiden.
Batteriemodulstrang (50-1, 50-2, 50-3) nach Anspruch 1, wobei der Batteriemodulstrang (50-1, 50-2, 50-3) mindestens ein Batteriemodul (40-1, ..., 40-n) umfasst, welches eine Koppeleinheit (30) umfasst, welche dazu ausgebildet ist, auf ein erstes Steuersignal hin den wenigstens einen elektrischen Energiespeicher (41) zwischen den ersten Anschluss (42) und den zweiten Anschluss (43) zu schalten und auf ein zweites Steuersignal hin den ersten Anschluss (42) und den zweiten Anschluss (43) zu verbinden.
Batteriemodulstrang (50-1, 50-2, 50-3) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Batteriemodulstrang (50-1, 50-2, 50-3) mindestens ein Batteriemodul (40-1, ..., 40-n) umfasst, welches dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit einer Ansteuerung der Koppeleinheit (70) wahlweise einen von mindestens drei Schaltzuständen einzunehmen, wobei in einem ersten Schaltzustand der erste Anschluss (42) und der zweite Anschluss (43) des Batteriemoduls (40-1, ..., 40-n) verbunden ist, in einem zweiten Schaltzustand der wenigstens eine elektrische Energiespeicher (41) zwischen den ersten Anschluss (42) und den zweiten Anschluss (43) mit einer ersten Polarität geschaltet und in einem dritten Schaltzustand der wenigstens eine elektrische Energiespeicher (41) zwischen den ersten Anschluss (42) und den zweiten Anschluss (43) mit einer der ersten entgegengesetzten Polarität geschaltet ist.
Batteriemodulstrang (50-1, 50-2, 50-3) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Batteriemodulstrang (50-1, 50-2, 50-3) mindestens ein Batteriemodul (40-1, ..., 40-n) umfasst, dessen elektrischer Energiespeicher (41) eine Leistungszelle ist.
Batteriemodulstrang (50-1, 50-2, 50-3) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Batteriemodulstrang (50-1, 50-2, 50-3) mindestens ein Batteriemodul (40-1, ..., 40-n) umfasst, dessen elektrischer Energiespeicher (41) eine Energiezelle ist.
Batteriemodulstrang (50-1, 50-2, 50-3) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Batteriemodulstrang (50-1, 50-2, 50-3) mindestens ein Batteriemodul (40-1, ..., 40-n) umfasst, dessen elektrischer Energiespeicher (41) ein Doppelschichtkondensator, insbesondere ein Superkondensator oder Ultrakondensator, ist.
Batterie (10) umfassend mindestens einen Batteriemodulstrang, insbesondere drei Batteriemodulstränge (50-1, 50-2, 50-3), nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Batterie (10) nach Anspruch 7, wobei die Batterie (10) ein zur Ansteuerung der Koppeleinheiten (30, 70) ausgebildetes Steuergerät (60) umfasst.
Antriebseinheit umfassend mindestens einen elektrischen Motor (13) sowie mindestens einen Batteriemodulstrang (50-1, 50-2, 50-3) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder eine Batterie (10) nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Ausgang des Batteriemodulstrangs (50-1, 50-2, 50-3) an einen Eingang des elektrischen Motors (13) oder an einen Eingang eines Pulswechselrichters (12) angeschlossen ist.
Ein Kraftfahrzeug mit einer Antriebseinheit nach Anspruch 9.
Verfahren zur Ansteuerung eines Batteriemodulstranges (50-1, 50-2, 50-3) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an der Bereitstellung einer Ausgangsspannung des Batteriemodulstranges (50-1, 50-2, 50-3) in Abhängigkeit einer Betriebssituation bevorzugt solche Batteriemodule (40-1, ..., 40-n) beteiligt werden, deren elektrische Energiespeicher besser an die Betriebssituation angepasst sind als die der restlichen Batteriemodule (40-1, ..., 40-n).