DE102012207671A1 - Batterie mit einer Mehrzahl von in Batteriesträngen angeordneten Batteriemodulen sowie Verfahren zum Betreiben der Batterie - Google Patents

Batterie mit einer Mehrzahl von in Batteriesträngen angeordneten Batteriemodulen sowie Verfahren zum Betreiben der Batterie Download PDF

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Abstract

Es wird eine Batterie (300, 400) mit einer Mehrzahl von in Batteriesträngen (101) angeordneten Batteriemodulen (102) beschrieben, die mittels Ansteuerung selektiv aktiviert oder deaktiviert werden können, wobei im aktivierten Zustand die Batteriemodulspannung eines jeweiligen Batteriemoduls (102) zu einer Ausgangsspannung des entsprechenden Batteriestranges (101) der Batterie (300, 400) beiträgt. Die Batterie (300, 400) umfasst eine mit den Batteriesträngen (101) gekoppelte Schaltwandlertopologie (305), die ausgebildet ist, selektiv in einen oder mehreren der Batteriestränge (101) fließende Ströme zu erzeugen. Ferner wird ein Verfahren zum Betreiben der Batterie (300, 400) vorgeschlagen, bei dem die Ausgangsspannungen von Batteriesträngen (101) durch Ansteuern der entsprechenden Batteriemodule (102) auf geeignete Weise eingestellt oder gehalten werden derart, dass eine vorbestimmte, einen oder mehrere Batteriestränge (101) umfassende Auswahl von Batteriesträngen (101) mittels der Schaltwandlertopologie (305) mit Strom versorgt wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie mit einer Mehrzahl von in Batteriesträngen angeordneten Batteriemodulen, die mittels Ansteuerung selektiv aktiviert oder deaktiviert werden können, wobei im aktivierten Zustand die Batteriemodulspannung eines jeweiligen Batteriemoduls zu einer Ausgangsspannung des entsprechenden Batteriestranges der Batterie beiträgt. Ferner betrifft die Erfindung ein zugehöriges Verfahren zum Betreiben der Batterie. Außerdem betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, das die Batterie aufweist.
  • Stand der Technik
  • Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie beispielsweise Windkraftanlagen, in Fahrzeugen, wie beispielsweise Hybrid- und Elektrofahrzeugen, als auch im Consumer-Bereich, wie beispielsweise bei Laptops und Mobiltelefonen, vermehrt neue Batterien zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden. Für solche Aufgaben sind insbesondere Batterien mit Lithium-Ionen-Technologie geeignet. Sie zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichte und eine äußerst geringe Selbstentladung aus.
  • In vorhergehenden Erfindungen der Anmelderin wurden Verfahren vorgestellt, wie eine Lithium-Ionen-Batterie sinnvoll in Module unterteilt werden kann, welche dann zu einzelnen Strängen verschaltet werden, die dann einen Elektromotor direkt ansteuern. Ein Beispiel für eine modular aufgebaute Batterie ist in dem Dokument DE 10 2010 027 864 A1 offenbart. Im Folgenden wird anhand von 1 das entsprechende Prinzip beispielhaft ausführlicher erläutert.
  • Gemäß 1 weist eine Batterie 100 mehrere Batteriestränge 101 mit Batteriemodulen 102 auf. Jedes Batteriemodul 102 hat eine oder mehrere Batteriezellen 103, von denen in der Zeichnung pro Batteriemodul 102 lediglich eine Batteriezelle 103 dargestellt ist. Ferner weist jedes Batteriemodul 102 jeweils zwei Schalter 104, 105 auf, wobei je nach Schaltstellung der Schalter 104, 105 ein jeweiliges Batteriemodul 102 aktiviert oder deaktiviert werden kann. Im aktivierten Zustand trägt die Batteriemodulspannung des jeweiligen zugeschalteten bzw. aktivierten Batteriemoduls 102 zu einer Ausgangsspannung des entsprechenden Batteriestranges 101 bei, die dann an einem Anschluss 106 zur Verfügung steht. Im deaktivierten Zustand dahingegen ist das Batteriemodul 102 aus dem Batteriestrang 101 entkoppelt und elektrisch leitend überbrückt.
  • Ein Vorteil der Anordnung gemäß 1 ist, dass damit eine Batteriespannung variabel eingestellt werden kann. Beispielsweise kann bei hinreichend feiner Einteilung der Batteriestränge 101 in eine Vielzahl von Batteriemodulen 102 und bei geeigneter Ansteuerung ein sinusförmiger Verlauf der Batteriespannung an den Terminals 106 eingestellt werden, der gegeneinander phasenversetzt ist. Dadurch kann ein (Dreiphasen-)Elektromotor 107 angesteuert werden, auch ohne dass ein spezieller zwischengeschalteter Wechselrichter erforderlich ist.
  • Ferner wurde in vorhergehenden Erfindungen der Anmelderin eine Batterie vorgestellt, bei denen die einzelnen Batteriemodule an einen DC/DC-Wandler angeschlossen werden. In 2 wird eine solche Anordnung beispielhaft dargestellt, wobei die Schaltungen der gezeigten Batteriemodule 102 jeweils um einen sekundären Teilschaltkreis 207 des DC/DC-Wandlers ergänzt werden. Der DC/DC-Wandler ist vorzugsweise als Sperrwandler (Englisch: Flyback) ausgebildet. Die sekundären Teilschaltkreise 207 weisen jeweils eine Diode 201 und eine Sekundärspule 202 auf. Der primärseitige Teilschaltkreis 206 der Batterie 200 weist eine Primärspule 204 und einen Schalter 205 auf. Ferner kann mittels des Spulenkerns 203 eine galvanische Trennung zwischen den Batteriemodulen 202 und dem primärseitigen Teilschaltkreis 206 vorgenommen werden. Als ein Vorteil der gezeigten Schaltungstopologie kann beispielsweise ein Laden der Batteriemodule 202 vom 12V-Netz aus oder, je nach Konfiguration des DC/DC-Wandlers, aus dem 220V-Haushaltsnetz ermöglicht werden. Jedoch hat die Schaltungstopologie aus 2 einen hohen Verdrahtungsaufwand und daher hohe Kosten zur Folge, da jedes Batteriemodul 202 mit einer separaten Sekundärspule 202 auf dem DC/DC-Wandler verdrahtet werden muss. Ferner wird bei der Batterie 200 zwar ermöglicht, ein aktives Balancing zwischen den Batteriemodulen 102 und einzelnen Batteriesträngen 101 im Betrieb durchzuführen, indem nämlich während der Erzeugung der gewünschten AC-Ausgangsspannungen die einzelnen Batteriemodule 102 je nach ihrer Leistungsfähigkeit für verschiedene Zeitdauern zugeschaltet werden. Ein solches Verfahren ist jedoch nicht im Stillstand oder beispielsweise während des Ladens anzuwenden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß werden eine Batterie sowie ein Verfahren zum Betreiben der Batterie gemäß den Ansprüchen 1 und 8 zur Verfügung gestellt.
  • Die erfindungsgemäße Batterie weist eine Mehrzahl von in Batteriesträngen angeordneten Batteriemodulen auf, die mittels Ansteuerung selektiv aktiviert oder deaktiviert werden können. Im aktivierten Zustand trägt die Batteriemodulspannung eines jeweiligen Batteriemoduls zu einer Ausgangsspannung des entsprechenden Batteriestranges der Batterie bei. Ferner umfasst die Batterie eine mit den Batteriesträngen gekoppelte Schaltwandlertopologie, die dazu ausgebildet ist, selektiv in einen oder mehrere der Batteriestränge hineinfließende Ströme zu erzeugen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst grundsätzlich Schritte, bei denen die Ausgangsspannungen von Batteriesträngen durch Ansteuern der entsprechenden Batteriemodule auf geeignete Weise eingestellt oder gehalten werden derart, dass eine vorbestimmte, einen oder mehrere Batteriestränge umfassende Auswahl von Batteriesträngen mittels der Schaltwandlertopologie mit Strom versorgt wird.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ferner ein Kraftfahrzeug offenbart, das einen Elektromotor und die erfindungsgemäße Batterie aufweist, wobei die Batterie in einem Antriebsstrang des Elektromotors angeordnet ist.
  • Ein Vorteil der Erfindung ist, dass es ermöglicht werden kann, bei gleichzeitig geringem Verschaltungsaufwand die Batteriestränge auf eine flexible Weise mit Strom zu versorgen, beispielsweise um Batteriemodule eines oder mehrerer der Batteriestränge oder aller Batteriestränge zu laden.
  • Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Schaltwandlertopologie ferner auch dazu ausgebildet, Strom aus Batteriesträngen zu entnehmen.
  • Die Schaltwandlertopologie weist bevorzugt einen Sperrwandler auf. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Schaltwandlertopologie derartig in die Batterie integriert, dass die in einen oder mehrere der Batteriestränge fließenden Ströme additiv zu einem an einem Batterieterminal fließenden Batteriestrom erzeugt werden können. Dadurch wird die Flexibilität weiter erhöht.
  • Es wird ferner bevorzugt, dass die einzelnen Batteriestränge über eine Dioden aufweisende Anordnung miteinander verbunden sind. Mit dieser vorteilhaften Ausführungsform kann beispielsweise auf besonders einfache Weise ermöglicht werden, die in einem Kern der beispielsweise als Sperrwandler ausgebildeten Schaltwandlertopologie gespeicherte Energie nur in den Batteriestrang abzugeben, welcher die niedrigste Spannung besitzt.
  • Bei einer besonders günstigen Ausführungsform ist für jeden Batteriestrang jeweils mindestens eine Diode zwischen einer Sekundärspule der Schaltwandlertopologie und einem Anschluss des jeweiligen Batteriestranges angeordnet.
  • Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Batteriestrang, der geladen werden soll, gezielt ausgewählt. Die anderen Batteriestränge, im Fall von insgesamt drei Batteriesträngen also die beiden anderen Batteriestränge, werden dabei auf eine höhere Ausgangsspannung eingestellt, indem alle in den anderen Batteriesträngen vorhandenen Batteriemodule aktiviert werden. Gleichzeitig werden in dem zu ladenden Batteriestrang eines oder mehrere der Batteriemodule deaktiviert bzw. entkoppelt oder überbrückt.
  • Es wird ferner bevorzugt, dass für jeden Batteriestrang jeweils mindestens eine Diode zwischen einer Primärspule der Schaltwandlertopologie und einem Anschluss des jeweiligen Batteriestranges angeordnet ist. Dadurch wird vorteilhaft auf einfache Weise ermöglicht, dass Energie aus einem Batteriestrang entnommen und in einen anderen übertragen werden kann.
  • Bei einer besonders günstigen Ausführungsform der Erfindung ist für jeden Batteriestrang der Batterie die Schaltwandlertopologie primärseitig und sekundärseitig jeweils mit demselben Anschluss des jeweiligen Batteriestranges verbunden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft Schritte aufweisen, bei denen die vorbestimmten Batteriestränge mittels der Schaltwandlertopologie geladen werden und/oder die Ausgangsspannungen von Batteriesträngen derart eingestellt oder gehalten werden, dass mittels der Schaltwandlertopologie ein Balancing der Batteriemodule durchgeführt wird, wobei eine Versorgung der Primärseite der Schaltwandlertopologie mittels eines oder mehrerer derartiger Batteriestränge erfolgt, die aktuell nicht mit Strom versorgt werden.
  • Die Erfindung kann somit derart ausgestaltet sein, dass Energie aus einem Batteriestrang entnommen und in einen anderen Batteriestrang übertragen werden kann. Um dies zu ermöglichen, werden die beispielsweise drei Batteriestränge über die oben genannte Dioden-Anordnung miteinander verbunden, so dass auf der Primärseite der Schaltwandlertopologie immer die Spannung anliegt, die dem Batteriestrang mit der höchsten Ausgangsspannung zugehörig ist. Da die Sekundärseite ebenfalls über Dioden mit den Batteriesträngen verbunden sein kann, wird somit ermöglicht, während der Wandlung im Kern gespeicherte Energie immer auf den Batteriestrang mit der niedrigsten Ausgangsspannung zu übertragen. Somit kann gewährleistet werden, dass die Energie vom Batteriestrang mit der höchsten Ausgangsspannung auf den Batteriestrang mit der niedrigsten Ausgangsspannung übertragen werden kann.
  • Es kann erfindungsgemäß also die Ausgangsspannung der Batteriestränge durch gezieltes Einschalten und Überbrücken einzelner Batteriemodule so gewählt werden, dass ein Energiefluss in der gewünschten Richtung stattfindet.
  • Die Schaltwandlertopologie weist bevorzugt eine galvanische Trennung auf. Somit kann günstigerweise eine galvanische Trennung zwischen der Primärseite und der Sekundärseite der Schaltwandlertopologie erreicht werden. Insbesondere können die Batteriemodule auf diese Weise galvanisch von der Primärseite abgekoppelt werden.
  • Die Primärseite kann bei einer Ausführungsform auch mit einer Leistungsfaktor-Korrekturstufe gekoppelt sein.
  • Die Erfindung kann insbesondere bei derartigen Batteriemodulen Anwendung finden, die zwei Schalter umfassen, die jeweils derart angeordnet sind, dass bei einer ersten Schaltstellung der Schalter ein jeweiliges Batteriemodul aktiviert ist und bei einer zweiten Schaltstellung der Schalter das jeweilige Batteriemodul deaktiviert ist.
  • Die Batterie ist bevorzugt eine Lithium-Ionen-Batterie. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
  • Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine Batterie mit drei Batteriesträngen, die selektiv aktivierbare bzw. deaktivierbare Batteriemodule aufweisen und die mit den Anschlüssen eines Dreiphasen-Elektromotors gekoppelt sind, gemäß dem Stand der Technik,
  • 2 eine Batterie mit integrierter Schaltwandlertopologie, bei der jedes Batteriemodul eines Batteriestranges mit einem Sekundärkreis der Schaltwandlertopologie ausgestattet ist,
  • 3 eine Batterie mit integrierter Schaltwandlertopologie nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
  • 4 eine Batterie mit integrierter Schaltwandlertopologie nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In der 3 ist eine Batterie 300 mit integrierter Schaltwandlertopologie 305 nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Wie in 3 gezeigt, wird ein Prinzip der Versorgung von Batteriemodulen 103 mittels einer Schaltwandlertopologie 305 nicht auf jedes einzelne der Batteriemodule 102, sondern stattdessen vielmehr auf die einzelnen Batteriestränge 101 angewandt. Die positiven Ausgänge der Batteriestränge 101 sind jeweils mit einer Sekundärseite 304 der Schaltwandlertopologie verbunden. Die Schaltwandlertopologie 305 ist bevorzugt als Sperrwandler (Flyback) ausgebildet und ferner, anschaulich gesagt, sekundärseitig dreifach aufgeteilt entsprechend der drei Batteriestränge 101, obgleich die Sekundärspule 303 lediglich einmal vorhanden ist. Jedoch ist für jeden Batteriestrang 101 jeweils eine Diode 301 vorhanden, die als Ausgangsdiode der Schaltwandlertopologie 305 dient und die in Richtung zu dem jeweiligen Batteriestrang 101 hin in Durchlassrichtung geschaltet ist. Die Ausgänge der Batteriestränge 101, die jeweils mit der Schaltwandlertopologie 305 gekoppelt sind, sind außerdem jeweils mit einem der drei Terminalanschlüsse 106 der Batterie 300 verbunden. Die Primärseite 206 der Schaltwandlertopologie 305 weist eine Primärspule 204 sowie einen Schalter 205 auf, und kann mittels von Anschlüssen von außen mit Energie versorgt werden, die über die galvanische Trennung 302 auf die Sekundärseite 303 übertragen wird. Diese wird aufgrund der Anordnung der Dioden 301 nur in den Batteriestrang 101 abgegeben, der die niedrigste Spannung besitzt. In einer besonders vorteilhaften Variante dieser Ausführungsform wird der Batteriestrang 101, der aktuell geladen werden soll, gezielt ausgewählt, indem die beiden anderen Batteriestränge 101 auf eine vergleichsweise höhere Ausgangsspannung eingestellt werden. Dies kann durch Einschalten aller vorhandenen Batteriemodule 102 der anderen Batteriestränge 101 erfolgen, wobei der zu ladende Batteriestrang 101 auf eine niedrigere Ausgangsspannung eingestellt wird, beispielsweise indem ein Batteriemodul 102 deaktiviert wird.
  • In 4 wird eine Batterie 400 nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die eine Schaltwandlertopologie 305 umfasst. Gemäß der in 4 gezeigten Anordnung wird die Schaltwandlertopologie 305 bzw. ein DC/DC-Wandler so verwendet, dass er Energie aus einem Batteriestrang 101 entnehmen kann und in einen anderen Batteriestrang 101 übertragen kann. Um dies zu ermöglichen, werden die drei Batteriestränge 101 über eine Schaltungsanordnung, die Dioden 401 aufweist, miteinander verbunden, so dass auf der Primärseite 206 der Schaltwandlertopologie 305 immer die Spannung anliegt, die dem Batteriestrang mit der höchsten Ausgangsspannung zugehörig ist. Ferner wird die Sekundärseite 304 ebenfalls über Dioden 301 mit den drei Batteriesträngen 101 verbunden, wobei die während der Wandlung im Kern der Schaltwandlertopologie 305 gespeicherte Energie immer auf den Batteriestrang 101 mit der niedrigsten Ausgangsspannung übertragen wird. Auf diese Weise kann vorteilhaft gewährleistet werden, dass die Energie vom Batteriestrang 101 mit der höchsten Ausgangsspannung auf den Batteriestrang 101 mit der niedrigsten Ausgangsspannung übertragen wird.
  • In einem vorteilhaften Verfahren zum Betreiben der Batterie 400 wird die Ausgangsspannung der Batteriestränge 101 durch gezieltes Einschalten und Überbrücken einzelner Batteriemodule 102 so gewählt, dass der Energiefluss in der gewünschten Richtung stattfindet.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102010027864 A1 [0003]

Claims (10)

  1. Batterie (300, 400) mit einer Mehrzahl von in Batteriesträngen (101) angeordneten Batteriemodulen (102), die mittels Ansteuerung selektiv aktiviert oder deaktiviert werden können, wobei im aktivierten Zustand die Batteriemodulspannung eines jeweiligen Batteriemoduls (102) zu einer Ausgangsspannung des entsprechenden Batteriestranges (101) der Batterie (300, 400) beiträgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (300, 400) eine mit den Batteriesträngen (101) gekoppelte Schaltwandlertopologie (305) umfasst, die ausgebildet ist, selektiv in einen oder mehreren der Batteriestränge (101) hineinfließende Ströme zu erzeugen.
  2. Batterie (300, 400) nach Anspruch 1, wobei die Schaltwandlertopologie (305) derartig in die Batterie (300, 400) integriert ist, dass die in einen oder mehrere der Batteriestränge (101) fließenden Ströme additiv zu einem an einem Batterieterminal (106) fließenden Batteriestrom erzeugt werden können.
  3. Batterie (300, 400) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die einzelnen Batteriestränge (101) durch eine Diode (301, 401) aufweisende Anordnung miteinander verbunden sind.
  4. Batterie (300, 400) nach Anspruch 3, wobei für jeden Batteriestrang (101) jeweils mindestens eine Diode (301) zwischen einer Sekundärspule (303) der Schaltwandlertopologie (305) und einem Anschluss des jeweiligen Batteriestranges (101) angeordnet ist.
  5. Batterie (300, 400) nach Anspruch 3 oder 4, wobei für jeden Batteriestrang (101) jeweils mindestens eine Diode (401) zwischen einer Primärspule (204) der Schaltwandlertopologie (305) und einem Anschluss des jeweiligen Batteriestranges (101) angeordnet ist.
  6. Batterie (300, 400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für jeden Batteriestrang (101) die Schaltwandlertopologie (305) primärseitig und sekundärseitig jeweils mit demselben Anschluss des jeweiligen Batteriestranges (101) verbunden ist.
  7. Batterie (300, 400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaltwandlertopologie (305) einen Sperrwandler aufweist.
  8. Verfahren zum Betreiben der Batterie (300, 400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Schritte, bei denen die Ausgangsspannungen von Batteriesträngen (101) durch Ansteuern der entsprechenden Batteriemodule (102) auf geeignete Weise eingestellt oder gehalten werden derart, dass eine vorbestimmte, einen oder mehrere Batteriestränge (101) umfassende Auswahl von Batteriesträngen (101) mittels der Schaltwandlertopologie (305) mit Strom versorgt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die vorbestimmten Batteriestränge (101) mittels der Schaltwandlertopologie (305) geladen werden und/oder die Ausgangsspannungen von Batteriesträngen (101) derart eingestellt oder gehalten werden, dass mittels der Schaltwandlertopologie (305) ein Balancing der Batteriemodule (102) erfolgt, wobei eine Versorgung der Primärseite (206) der Schaltwandlertopologie (305) mittels eines oder mehrerer derartiger Batteriestränge (101) erfolgt, die aktuell nicht mit Strom versorgt werden.
  10. Kraftfahrzeug, das einen Elektromotor und die Batterie (300, 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist, wobei die Batterie (300, 400) in einem Antriebsstrang des Elektromotors angeordnet ist.
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