DE102012208313A1 - Battery i.e. lithium ion battery, for use in powertrain of motor car to operate direct current motor, has battery module connectable to and/or disconnectable from battery strand by switch, which is connected at output with converter - Google Patents

Battery i.e. lithium ion battery, for use in powertrain of motor car to operate direct current motor, has battery module connectable to and/or disconnectable from battery strand by switch, which is connected at output with converter Download PDF

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Abstract

The battery (20) has two battery modules (171, 172) comprising respective battery cells (30). A direct current (DC)/DC converter is connected at an input side with one battery module, which is operably linked to a battery strand (180) by the converter. Another battery module is connectable to and/or disconnectable from the battery strand. The former battery module is connectable to and/or disconnectable from the battery strand by a switch (280), which is connected at an output with the converter. The converter is designed as a buck converter (220) or a step-up converter. Independent claims are also included for the following: (1) a method for adjusting an output voltage of a battery (2) a device for adjusting an output voltage of a battery.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie mit mindestens einem Batteriestrang, der mindestens ein erstes Batteriemodul und mindestens ein zweites Batteriemodul sowie mindestens einen dem mindestens einen ersten Batteriemodul zugeordneten DC/DC-Wandler umfasst. Dabei umfassen das erste und das zweite Batteriemodul jeweils mindestens eine Batteriezelle, das erste Batteriemodul des Batteriestranges ist mittels des ihm zugeordneten DC/DC-Wandlers, der eingangsseitig mit dem ersten Batteriemodul verbunden ist, betreibbar und das zweite Batteriemodul ist zu dem Batteriestrang koppelbar und aus dem Batteriestrang entkoppelbar. Auch betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Einstellen der Ausgangsspannung der erfindungsgemäßen Batterie. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem Batteriesystem zum Betreiben einer Gleichstrommaschine, wobei das Batteriesystem die erfindungsgemäße Batterie und eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einstellen der Ausgangsspannung der erfindungsgemäßen Batterie umfasst.The present invention relates to a battery having at least one battery string, which comprises at least one first battery module and at least one second battery module and at least one DC / DC converter assigned to the at least one first battery module. In this case, the first and the second battery module each comprise at least one battery cell, the first battery module of the battery string is operable by means of its associated DC / DC converter, which is the input side connected to the first battery module, and the second battery module can be coupled to the battery string and off decoupled from the battery string. The invention also relates to a method and a corresponding device for adjusting the output voltage of the battery according to the invention. Furthermore, the invention relates to a motor vehicle with a battery system for operating a DC machine, wherein the battery system comprises the battery according to the invention and an inventive device for adjusting the output voltage of the battery according to the invention.

Stand der TechnikState of the art

Li-Ionen-Batterien können in einfachen Anwendungen, wie zum Beispiel bei Werkzeugen oder Elektrofahrrädern (e-bikes), für den Betrieb mit Gleichstrom eingesetzt werden. Eine aus dem Stand der Technik bekannte Architektur mit einer herkömmlichen Batterie, die für den Betrieb einer Gleichstrommaschine eingesetzt wird, wird in der 1 dargestellt.Li-ion batteries can be used in simple applications, such as tools or electric bikes (e-bikes), for DC operation. A known from the prior art architecture with a conventional battery, which is used for the operation of a DC machine is in the 1 shown.

In der 1 ist ein Batteriesystem 10 mit einer Batterie 20 dargestellt, wobei die Batterie 20 mehrere seriell geschaltete Batteriezellen 30 umfasst, die zwischen einem positiven Batterieterminal 40 und einer Masse 50 geschaltet sind. Eine Vollbrücke 60, die vier Schalter 70, 80, 90, 100 umfasst, ist mit einem ersten Anschluss 110 mit dem positiven Batterieterminal 40 elektrisch verbunden.In the 1 is a battery system 10 with a battery 20 shown, the battery 20 several serially connected battery cells 30 includes that between a positive battery terminal 40 and a crowd 50 are switched. A full bridge 60 , the four switches 70 . 80 . 90 . 100 includes is with a first connection 110 with the positive battery terminal 40 electrically connected.

Ein erster Schalter 70 ist zwischen dem ersten Anschluss 110 und einem zweiten Anschluss 120 der Vollbrücke 60, ein zweiter Schalter 80 zwischen dem ersten Anschluss 110 und einem dritten Anschluss 130 der Vollbrücke 60, ein dritter Schalter 90 zwischen dem zweiten Anschluss 120 der Vollbrücke 60 und einer Masse 140 und ein vierter Schalter 100 zwischen dem dritten Anschluss 130 und einer weiteren Masse 150 geschaltet. Zwischen dem zweiten Anschluss 120 und dem dritten Anschluss 130 der Vollbrücke 60 ist ein Gleichstrommotor (Gleichstrommaschine M) 160 angeschlossen.A first switch 70 is between the first port 110 and a second port 120 the full bridge 60 , a second switch 80 between the first connection 110 and a third port 130 the full bridge 60 , a third switch 90 between the second port 120 the full bridge 60 and a crowd 140 and a fourth switch 100 between the third port 130 and another mass 150 connected. Between the second connection 120 and the third port 130 the full bridge 60 is a DC motor (DC machine M) 160 connected.

Bei der in der 1 dargestellten Architektur wird der Motorstrom für den Gleichstrommotor 160 durch eine geeignete Taktung der mit der Batterie 20 verbundenen Vollbrücke 60 eingestellt. Diese Konfiguration hat den Nachteil, dass die schwächste Batteriezelle die Gesamtleistung (Gesamtperformance) der Batterie 20 bestimmt und im Extremfall ein Defekt einer Batteriezelle zum Ausfall der gesamten Batterie führt.When in the 1 architecture shown is the motor current for the DC motor 160 by a suitable timing with the battery 20 connected full bridge 60 set. This configuration has the disadvantage that the weakest battery cell is the overall performance (overall performance) of the battery 20 determines and in extreme cases, a defect in a battery cell leads to failure of the entire battery.

Aus diesem Grund wurde bereits in einer früheren Patentanmeldung der Anmelderin eine in der 2 dargestellte Architektur vorgeschlagen, welche den oben erwähnten Nachteil eliminiert. Bei der in der 2 dargestellten Architektur umfasst das Batteriesystem 10 eine Batterie 20 mit einem zwischen einer Masse 50 und dem positiven Batterieterminal 40 zugeschalteten Batteriestrang 180. Dabei werden jeweils n Batteriezellen 30 der Batterie 20 beziehungsweise des Batteriestranges 180 zu Batteriemodulen 170 zusammengefasst, wobei n größer oder gleich eins ist. Die Batteriemodule 170 eines Batteriestranges 180 können dann je nach ihrer Leistungsfähigkeit jeweils mittels eines Schalters 190 zu dem Batteriestrang 180 zugeschaltet (geschlossener Zustand) oder jeweils mittels eines weiteren Schalters 200 in seinem geschlossenen Zustand überbrückt werden. Durch eine hochfrequente Taktung mindestens jeweils eines Batteriemoduls 170 wird die gewünschte Ausgangsspannung der Batterie 20 im Mittel richtig eingestellt, wobei die Ausgangsspannung der Batterie 20 bei der in der 2 dargestellten Architektur die Motorspannung des mittels der Batterie 20 betriebenen Motors 160 ist. Der Motor 160 ist einerseits über das positive Batterieterminal 40 mit dem Batteriestrang 180 und andererseits mit einer Masse 210 verbunden. Die anderen Batteriemodule 170 werden je nach gewünschter Motorspannung mittels der zwei ihnen jeweils zugeordneten Schalter 190, 200 entweder zu dem entsprechenden Batteriestrang 180 zugeschaltet oder überbrückt. Um eine gleichmäßige Entladung und eine gleichmäßige Alterung der Batteriemodule 170 zu erreichen, müssen einerseits die Batteriemodule 170 alternierend ein- und ausgeschaltet und andererseits auch die hochfrequente Taktung zwischen den Batteriemodulen 170 abwechselnd eingestellt werden.For this reason, in an earlier patent application of the applicant in the 2 shown architecture which eliminates the above-mentioned disadvantage. When in the 2 The illustrated architecture includes the battery system 10 a battery 20 with one between a mass 50 and the positive battery terminal 40 connected battery string 180 , In each case n battery cells 30 the battery 20 or the battery string 180 to battery modules 170 summarized, where n is greater than or equal to one. The battery modules 170 a battery string 180 can then, depending on their performance, each by means of a switch 190 to the battery string 180 switched on (closed state) or in each case by means of another switch 200 be bridged in its closed state. By a high-frequency clocking at least one battery module 170 will be the desired output voltage of the battery 20 set correctly on average, with the output voltage of the battery 20 at the in the 2 Architecture shown the motor voltage of the battery 20 powered engine 160 is. The motor 160 is on the one hand via the positive battery terminal 40 with the battery string 180 and on the other hand with a mass 210 connected. The other battery modules 170 Depending on the desired motor voltage by means of the two associated switches 190 . 200 either to the appropriate battery string 180 switched on or bypassed. For a uniform discharge and a uniform aging of the battery modules 170 To reach, on the one hand, the battery modules 170 alternately switched on and off and on the other hand, the high frequency clocking between the battery modules 170 be set alternately.

Architekturen mit Batterien mit mindestens einem Batteriestrang, bei denen zur Einstellung der Ausgangspannung der Batterie die einzelnen Batteriemodule zu dem zugehörigen Batteriestrang zugeschaltet oder überbrückt werden, sind auch aus dem Dokument DE 10 2010 027 864 A1 bekannt. Architectures with batteries having at least one battery string, in which the individual battery modules are connected or bridged to the associated battery string for setting the output voltage of the battery, are also from the document DE 10 2010 027 864 A1 known.

Nachteilig bei solchen genannten und aus dem Stand der Technik bekannten Architekturen ist, dass eine alternierende Taktung aller Batteriemodule mit einer relativ hohen Frequenz notwendig ist, die einen hohen Aufwand bezüglich der verwendeten Schaltungs-, Aufbau- und Verbindungstechnik für alle Batteriemodule bedingt. Gleichzeitig sind wegen der auftretenden Schaltverluste an allen Batteriemodulen entsprechende Entwärmungsmaßnahmen vorzusehen.A disadvantage of such known and known from the prior art architectures is that an alternating clocking of all battery modules with a relatively high frequency is necessary, which requires a lot of effort in terms of circuit design, construction and connection technology for all battery modules. At the same time because of the occurring switching losses to provide appropriate cooling measures on all battery modules.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß wird eine Batterie mit mindestens einem Batteriestrang, der mindestens ein erstes Batteriemodul und mindestens ein zweites Batteriemodul und ferner mindestens einen dem mindestens einen Batteriemodul zugeordneten DC/DC-Wandler umfasst, bereitgestellt, wobei das erste und das zweite Batteriemodul jeweils mindestens eine Batteriezelle umfassen, das erste Batteriemodul des Batteriestranges mittels des ihm zugeordneten DC/DC-Wandlers, der eingangsseitig mit dem ersten Batteriemodul verbunden ist, betreibbar ist und das zweite Batteriemodul zu dem Batteriestrang koppelbar bzw. aus dem Batteriestrang entkoppelbar ist. Dabei ist das erste Batteriemodul mittels einer ersten Koppeleinrichtung, die ausgangsseitig mit dem DC/DC-Wandler verbunden ist und insbesondere einen einzelnen Schalter umfasst, zu dem Batteriestrang koppelbar bzw. aus dem Batteriestrang entkoppelbar ist. Dabei umfasst das erste Batteriemodul insbesondere eine größere Anzahl von Batteriezellen als das zweite Batteriemodul.According to the invention, a battery is provided with at least one battery string which comprises at least one first battery module and at least one second battery module and furthermore at least one DC / DC converter assigned to the at least one battery module, the first and the second battery module each comprising at least one battery cell, the first battery module of the battery string can be operated by means of its associated DC / DC converter, which is connected on the input side to the first battery module, and the second battery module can be coupled to the battery string or decoupled from the battery string. Here, the first battery module by means of a first coupling device, which is the output side connected to the DC / DC converter and in particular comprises a single switch, can be coupled to the battery string or decoupled from the battery string. In this case, the first battery module in particular comprises a larger number of battery cells than the second battery module.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der DC/DC-Wandler ein Tiefsetzsteller, der entlang der Laderichtung des ersten Batteriemoduls als Hochsetzsteller ausgeführt ist.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the DC / DC converter is a buck converter, which is designed as a boost converter along the charging direction of the first battery module.

Anders ausgedrückt, es wird erfindungsgemäß eine Batterie mit mindestens einem Batteriestrang, der mindestens ein erstes und mindestens ein zweites Batteriemodul umfasst, bereitgestellt, wobei das erste Batteriemodul mit einer Anzahl m von Batteriezellen und das zweite Batteriemodul mit einer Anzahl n von Batteriezellen ausgeführt sind. Die Anzahl m der von dem ersten Batteriemodul umfassten Batteriezellen ist dabei insbesondere größer oder gleich der Anzahl m der von dem zweiten Batteriemodul umfassten Batteriezellen. Dem ersten Batteriemodul wird ein Schaltwandler zugeordnet, der als DC/DC-Wandler ausgebildet ist, der in dem ersten Batteriemodul insbesondere enthalten sein kann und eingangsseitig mit dem ersten Batteriemodul verbunden ist. Dadurch kann die Ausgangsspannung des ersten Batteriemoduls mittels des DC/DC-Wandlers wie gewünscht eingestellt werden. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der DC/DC-Wandler als Tiefsetzsteller ausgeführt, der in Laderichtung des ersten Batteriemoduls als Hochsetzsteller arbeitet.In other words, the invention provides a battery having at least one battery string comprising at least a first and at least one second battery module, the first battery module having a number m of battery cells and the second battery module having a number n of battery cells. The number m of the battery cells encompassed by the first battery module is in particular greater than or equal to the number m of the battery cells covered by the second battery module. The first battery module is associated with a switching converter, which is designed as a DC / DC converter, which may be included in particular in the first battery module and the input side is connected to the first battery module. Thereby, the output voltage of the first battery module can be adjusted as desired by means of the DC / DC converter. In a particularly advantageous embodiment of the invention, the DC / DC converter is designed as a step-down converter, which operates in the loading direction of the first battery module as a boost converter.

Aufgrund der Tatsache, dass vorzugsweise nur ein einziges erstes Batteriemodul mittels eines DC/DC-Wandlers betrieben und dabei insbesondere hochfrequent getaktet wird, kann dieses erste Batteriemodul technisch optimal ausgeführt werden, ohne dass die dadurch entstehenden Kostennachteile genauso gravierend für die gesamte Batterie werden wie bei einer Optimierung aller Batteriemodule der Batterie. Bei der erfindungsgemäßen Batterie müssen die sonstigen in der Batterie enthaltenen zweiten Batteriemodule nicht wie das erste Batteriemodul optimiert werden, da diese vorzugsweise nur niederfrequent getaktet werden.Due to the fact that preferably only a single first battery module is operated by means of a DC / DC converter and in particular clocked high frequency, this first battery module can be performed optimally without the resulting cost disadvantages are just as serious for the entire battery as at an optimization of all battery modules of the battery. In the case of the battery according to the invention, the other battery modules contained in the battery do not have to be optimized like the first battery module, since they are preferably only clocked at low frequency.

Insbesondere vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Batterie ist, dass auch das erste Batteriemodul, welches mittels des DC/DC-Wandlers betrieben wird, durch eine Koppeleinrichtung, die insbesondere einen einzelnen Schalter umfasst, überbrückt werden kann, so dass wenn das erste Batteriemodul defekt ist, auch die Ausgangsspannung für dieses erste Batteriemodul auf null Volt abgesenkt werden kann. It is particularly advantageous in the case of the battery according to the invention that the first battery module, which is operated by means of the DC / DC converter, can also be bridged by a coupling device, which in particular comprises a single switch, so that when the first battery module is defective, too the output voltage for this first battery module can be lowered to zero volts.

Durch die Verwendung eines ersten mittels des DC/DC-Wandlers betriebenen Batteriemoduls, das eine größere Anzahl von Batteriezellen als das mindestens eine zweite Batteriemodul aufweist, und durch die Verwendung eines DC/DC-Wandlers, der eine Tiefsetzstellerarchitektur aufweist, ergibt sich der Vorteil, dass die Batteriezellen des ersten Batteriemoduls deutlich weniger belastet werden und langsamer altern. By using a first battery module powered by the DC / DC converter, which has a larger number of battery cells than the at least one second battery module, and by using a DC / DC converter having a buck converter architecture, there is the advantage of that the battery cells of the first battery module are significantly less stressed and age more slowly.

Bei der erfindungsgemäßen Batterie muss das erste Batteriemodul, das mittels des DC/DC-Wandlers betrieben wird, nicht zu Beginn des zugehörigen Batteriestranges angeordnet sein, sondern kann an jeder anderen beliebigen Stelle in dem zugehörigen Batteriestrang angeordnet sein.In the battery according to the invention, the first battery module, which is operated by means of the DC / DC converter, must not be arranged at the beginning of the associated battery string, but may be arranged at any other arbitrary point in the associated battery string.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie ist der DC/DC-Wandler dazu ausgeführt, eine positive Eingangsspannung in eine negative Ausgangsspannung umzuwandeln, und ist optional als Watkins-Konverter ausgebildet.In a particularly advantageous embodiment of the battery according to the invention, the DC / DC converter is designed to convert a positive input voltage into a negative output voltage, and is optionally designed as a Watkins converter.

Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie ist mindestens ein zweites Batteriemodul mittels einer ihm zugeordneten zweiten Koppeleinrichtung, die insbesondere zwei Schalter umfasst, zu dem Batteriestrang koppelbar bzw. aus dem Batteriestrang entkoppelbar. Wenn der Batteriestrang eine Vielzahl von zweiten Batteriemodulen umfasst, sind dabei insbesondere zumindest mehrere oder alle zweiten Batteriemodule als Ganzes mittels einer den mehreren oder allen zweiten Batteriemodulen zugeordneten Koppelvorrichtung, die insbesondere eine Vollbrücke aus vier Schaltern umfasst, zu dem Batteriestrang koppelbar bzw. aus dem Batteriestrang entkoppelbar.In a further particularly advantageous embodiment of the battery according to the invention, at least one second battery module can be coupled to the battery string or decoupled from the battery string by means of a second coupling device assigned to it, which in particular comprises two switches. If the battery string comprises a multiplicity of second battery modules, in particular at least several or all second battery modules as a whole can be coupled to the battery string or out of the battery string by means of a coupling device assigned to the several or all second battery modules, which in particular comprises a full bridge of four switches decoupled.

Mit anderen Worten, es kann ferner eine Batterie mit der oben genannten Architektur bereitgestellt werden, bei der auch eine negative Ausgangsspannung eingestellt werden kann. Dabei werden die zweiten, niederfrequent getakteten Batteriemodule insbesondere mit einer Vollbrücke betrieben und das erste Batteriemodul wird mit einer Schaltwandler-Topologie ausgestattet, die die Erzeugung sowohl positiver wie auch negativer Spannungen erlaubt und beispielsweise einen Watkins-Konverter umfasst. In other words, a battery having the above-mentioned architecture, in which a negative output voltage can also be set, can be further provided. In this case, the second, low-frequency clocked battery modules are operated in particular with a full bridge and the first battery module is equipped with a switching converter topology that allows the generation of both positive and negative voltages and includes, for example, a Watkins converter.

Wie oben bereits angedeutet, werden erfindungsgemäß ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Einstellen der Ausgangsspannung der erfindungsgemäßen Batterie bereitgestellt. Dabei wird zur Erzeugung einer gewünschten Ausgangsspannung das erste Batteriemodul mittels eines ersten Taktsignals mit einer ersten Taktfrequenz über den ihm zugeordneten DC/DC-Wandler getaktet, und das zweite Batteriemodul wird mittels eines zweiten Taktsignals mit einer gegenüber der ersten Taktfrequenz kleineren zweiten Taktfrequenz über die ihm zugeordnete zweite Koppeleinrichtung oder die ihm zugeordnete Koppelvorrichtung getaktet.As already indicated above, a method and a corresponding device for adjusting the output voltage of the battery according to the invention are provided according to the invention. In this case, to generate a desired output voltage, the first battery module is clocked by means of a first clock signal at a first clock frequency via its associated DC / DC converter, and the second battery module is by means of a second clock signal with respect to the first clock frequency smaller second clock frequency over him associated second coupling device or its associated coupling device clocked.

Erfindungsgemäß wird insbesondere nur ein einziges Batteriemodul pro Batteriestrang einer Batterie für eine hochfrequente Taktung ausgelegt, und die anderen Batteriemodule werden nur niederfrequent zu dem zugehörigen Batteriestrang zugeschaltet oder überbrückt, um eine gewünschte Ausgangsspannung der Batterie einzustellen. Dadurch werden die Kosten, die mit dem Aufwand verbunden sind, der bei einer hochfrequenten Taktung aller Batteriemodule einer Batterie erforderlich ist, deutlich reduziert.According to the invention, in particular only a single battery module per battery string of a battery is designed for a high-frequency clocking, and the other battery modules are switched on or bypassed only low frequency to the associated battery string to set a desired output voltage of the battery. As a result, the costs associated with the expense associated with high frequency clocking of all the battery modules of a battery are significantly reduced.

Wenn die Batterie einen mit dem ersten Batteriemodul eingangsseitig verbundenen DC/DC-Wandler umfasst, der dazu ausgeführt ist, eine positive Eingangsspannung auch in eine negativen Ausgangsspannung umzuwandeln, wird insbesondere zum Einstellen einer negativen Ausgangsspannung der Batterie eine geeignete negative Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers erzeugt.If the battery comprises a DC / DC converter which is connected on the input side to the first battery module and which is designed to also convert a positive input voltage into a negative output voltage, a suitable negative output voltage of the DC / DC converter is set, in particular for setting a negative output voltage of the battery. Transducer generated.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Batteriesystem zum Betreiben eines Gleichstrommotors, wobei das Batteriesystem eine erfindungsgemäße Batterie und eine in dem Batteriesystem insbesondere integrierte erfindungsgemäße Vorrichtung zur Einstellen der Ausgangsspannung der erfindungsgemäßen Batterie umfasst.Another aspect of the invention relates to a battery system for operating a DC motor, wherein the battery system comprises a battery according to the invention and a device according to the invention in particular integrated in the battery system for adjusting the output voltage of the battery according to the invention.

Die erfindungsgemäße Batterie kann eine Lithium-Ionen-Batterie sein.The battery according to the invention may be a lithium-ion battery.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims and described in the description.

Zeichnungendrawings

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings and the description below. Show it:

1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Batterie, die zum Betreiben eines Gleichstrommotors ausgebildet ist, 1 a known from the prior art battery, which is designed to operate a DC motor,

2 eine weitere aus dem Stand der Technik bekannte Batterie, die zum Betreiben eines Gleichstrommotors ausgebildet ist, 2 another known from the prior art battery, which is designed to operate a DC motor,

3 eine Batterie nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung, die zum Betreiben eines Gleichstrommotors ausgebildet ist, und 3 a battery according to a first embodiment of the invention, which is designed for operating a DC motor, and

4 eine Batterie nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, die zum Betreiben eines Gleichstrommotors ausgebildet ist. 4 a battery according to a second embodiment of the invention, which is designed for operating a DC motor.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

Die in der 3 dargestellte Architektur umfasst ein Batteriesystem 10 mit einer Batterie 20 nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung, wobei die Batterie 20 einen mit einer Masse 50 verbundenen Batteriestrang 180 aufweist. Ferner umfasst der Batteriestrang 180 ein erstes Batteriemodul 171 und mehrere zweite Batteriemodule 172, von denen nur ein einziges zweites Batteriemodul 172 dargestellt ist. The in the 3 illustrated architecture includes a battery system 10 with a battery 20 according to a first embodiment of the invention, wherein the battery 20 one with a mass 50 connected battery string 180 having. Furthermore, the battery string includes 180 a first battery module 171 and several second battery modules 172 of which only a single second battery module 172 is shown.

Das erste Batteriemodul 171 umfasst eine Anzahl m von Batteriezellen 30 und die zweiten Batteriemodule 172 umfassen jeweils eine gegenüber der Anzahl m kleinere Anzahl n von Batteriezellen 30. Zur Vereinfachung der Darstellung wurde pro eingezeichnetem Batteriemodul 171, 172 nur jeweils eine Batteriezelle 30 dargestellt.The first battery module 171 includes a number m of battery cells 30 and the second battery modules 172 each comprise a smaller number n of battery cells than the number m 30 , To simplify the presentation was per drawn battery module 171 . 172 only one battery cell each 30 shown.

Das erste Batteriemodul 171 ist an seinen Anschlüssen (nicht gekennzeichnet) eingangsseitig mit einem ersten Anschluss 230 und einem zweiten Anschluss 240 eines zugeordneten DC/DC-Wandlers 220, der in der 3 als Tiefsetzsteller 220 ausgeführt ist, verbunden.The first battery module 171 is at its connections (not marked) on the input side with a first connection 230 and a second port 240 an associated DC / DC converter 220 , the Indian 3 as a buck converter 220 is executed, connected.

Der Tiefsetzsteller 220 ist als Synchronwandler ausgeführt und umfasst einen ersten Schalter 250, einen zweiten Schalter 260 und eine Induktivität (L) 271.The buck converter 220 is designed as a synchronous converter and includes a first switch 250 , a second switch 260 and an inductance (L) 271 ,

Dabei ist der erste Schalter 250 mit dem ersten Anschluss 230 des DC/DC-Wandlers 220 und mit der Induktivität 271 verbunden. Die Induktivität 271 ist an ihrem Anschluss, an dem sie mit dem ersten Schalter 250 verbunden ist, auch mit dem zweiten Schalter 260 und an ihrem weiteren Anschluss (nicht gekennzeichnet) mit einem dritten Anschluss 270 des DC/DC-Wandlers 220 verbunden. Der zweiten Schalter 260 ist, wie weiter oben angedeutet, mit einem Anschluss (nicht gekennzeichnet) mit dem ersten Schalter 250 und mit der Induktivität 271 und mit seinem weiteren Anschluss (nicht gekennzeichnet) mit dem zweiten Anschluss 240 des DC/DC-Wandlers 220 verbunden. Der DC/DC-Wandler 220 ist ausgangsseitig mit einer einen Schalter 280 umfassenden ersten Koppeleinrichtung (nicht explizit gekennzeichnet) verbunden. Der von der ersten Koppeleinrichtung umfasste Schalter 280 ist dabei zwischen dem zweiten Anschluss 240 und dem dritten Anschluss 270 des DC/DC-Wandlers 220 geschaltet. Here is the first switch 250 with the first connection 230 of the DC / DC converter 220 and with the inductance 271 connected. The inductance 271 is at her port where she is with the first switch 250 connected, even with the second switch 260 and at its further connection (not marked) with a third connection 270 of the DC / DC converter 220 connected. The second switch 260 is, as indicated above, with a connection (not marked) with the first switch 250 and with the inductance 271 and with its further connection (not marked) to the second connection 240 of the DC / DC converter 220 connected. The DC / DC converter 220 is the output side with a switch 280 comprehensive first coupling device (not explicitly marked) connected. The switch comprised by the first coupling device 280 is between the second port 240 and the third port 270 of the DC / DC converter 220 connected.

Bei der in der 3 dargestellten Architektur wird das erste Batteriemodul 171 zur Einstellung der Ausgangsspannung der Batterie 20 über den zugeordneten Tiefsetzsteller 220 hochfrequent getaktet. Das erste Batteriemodul 171 kann mittels des Schalters 280 überbrückt werden, so dass wenn das erste Batteriemodul 171 defekt ist, auch seine Ausgangspannung auf null Volt abgesenkt werden kann.When in the 3 architecture is the first battery module 171 for adjusting the output voltage of the battery 20 over the associated buck converter 220 high-frequency clocked. The first battery module 171 can by means of the switch 280 be bridged, so if the first battery module 171 is defective, even its output voltage can be lowered to zero volts.

Die zweiten Batteriemodule 172 können mittels der ihnen jeweils zugeordneten zweiten Koppeleinrichtungen (nicht explizit gekennzeichnet), die jeweils zwei Schalter 191 und 201, umfassen, zu dem Batteriestrang 180 zugeschaltet werden oder überbrückt werden. Dabei wird ein zweites Batteriemodul mittels des geschlossenen Schalters 191 und mittels des offenen Schalters 201 zu dem Batteriestrang 180 zugeschaltet und mittels des offenen Schalters 191 und des geschlossenen Schalters 201 überbrückt. Bei der in der 3 dargestellten Architektur werden die zweiten Batteriemodule 172 zur Einstellung der Ausgangsspannung der Batterie 20 über die ihnen zugeordneten Koppeleinrichtungen, insbesondere mittels der ihnen jeweils zugeordneten Schalter 191, 201, niederfrequent getaktet.The second battery modules 172 can by means of their respective associated second coupling devices (not explicitly marked), the two switches 191 and 201 , to the battery string 180 be switched on or bypassed. In this case, a second battery module by means of the closed switch 191 and by means of the open switch 201 to the battery string 180 switched on and by means of the open switch 191 and the closed switch 201 bridged. When in the 3 The architecture shown will be the second battery modules 172 for adjusting the output voltage of the battery 20 via the coupling devices assigned to them, in particular by means of the respectively associated switches 191 . 201 , low-frequency clocked.

Der mittels der Batterie 20 zu betreibende Motor 160 ist zwischen dem dritten Anschluss 270 des DC/DC-Wandlers (Tiefsetzsteller) 220 und einer Masse 210 geschaltet.The by means of the battery 20 motor to be operated 160 is between the third port 270 of the DC / DC converter (buck converter) 220 and a crowd 210 connected.

Die in der 4 dargestellte Architektur umfasst ein Batteriesystem 10 mit einer Batterie 20 nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, wobei die Batterie 20 einen mit der Masse 50 verbundenen Batteriestrang 180 aufweist. Ferner umfasst der Batteriestrang 180 ein erstes Batteriemodul 171 und mehrere zweite Batteriemodule 172, von denen nur ein einziges zweites Batteriemodul 172 dargestellt ist. The in the 4 illustrated architecture includes a battery system 10 with a battery 20 according to a second embodiment of the invention, wherein the battery 20 one with the crowd 50 connected battery string 180 having. Furthermore, the battery string includes 180 a first battery module 171 and several second battery modules 172 of which only a single second battery module 172 is shown.

Das erste Batteriemodul 171 umfasst eine Anzahl m von Batteriezellen 30 und die zweiten Batteriemodule 172 umfassen jeweils eine gegenüber der Anzahl m kleinere Anzahl n von Batteriezellen 30. Zur Vereinfachung der Darstellung wurde pro eingezeichnetem Batteriemodul 171, 172 jeweils nur eine Batteriezelle 30 dargestellt. The first battery module 171 includes a number m of battery cells 30 and the second battery modules 172 each comprise a smaller number n of battery cells than the number m 30 , To simplify the presentation was per drawn battery module 171 . 172 only one battery cell at a time 30 shown.

Das erste Batteriemodul 171 ist an seinen Anschlüssen (nicht gekennzeichnet) eingangsseitig mit einem ersten Anschluss 330 und einem zweiten Anschluss 340 eines zugeordneten DC/DC-Wandlers 320 verbunden. Der DC/DC-Wandler 320 ist als Watkins-Konverter 320 ausgebildet und erlaubt sowohl die Erzeugung einer positiven als auch einer negativen Ausgangspannung.The first battery module 171 is at its connections (not marked) on the input side with a first connection 330 and a second port 340 an associated DC / DC converter 320 connected. The DC / DC converter 320 is as Watkins converter 320 designed and allows both the generation of a positive and a negative output voltage.

Der Watkins-Konverter 320 umfasst einen mit einer ersten Induktivität 371 seriell geschalteten ersten Schalter 350 und einen mit einer zweiten Induktivität 372 seriell geschalteten zweiten Schalter 360.The Watkins converter 320 includes one with a first inductance 371 serially connected first switch 350 and one with a second inductance 372 serially connected second switch 360 ,

Die Reihenschaltung, die die erste Induktivität 371 und den ersten Schalter 350 umfasst, ist an einem Anschluss (nicht gekennzeichnet) der ersten Induktivität 371 mit dem ersten Anschluss 330 des DC/DC-Wandlers 320 und an einem Anschluss (nicht gekennzeichnet) des ersten Schalters 350 mit einem dritten Anschluss 370 des DC/DC-Wandlers 320 verbunden.The series connection, the first inductance 371 and the first switch 350 is at a terminal (not marked) of the first inductance 371 with the first connection 330 of the DC / DC converter 320 and at a terminal (not marked) of the first switch 350 with a third connection 370 of the DC / DC converter 320 connected.

Die Reihenschaltung, die die zweite Induktivität 372 und den zweiten Schalter 360 umfasst, ist an einem Anschluss (nicht gekennzeichnet) der zweiten Induktivität 372 mit dem ersten Anschluss 330 des DC/DC-Wandlers 320 und an einem Anschluss (nicht gekennzeichnet) des zweiten Schalters 360 mit dem zweiten Anschluss 340 des DC/DC-Wandlers 320 verbunden.The series connection, the second inductance 372 and the second switch 360 is at a terminal (not marked) of the second inductance 372 with the first connection 330 of the DC / DC converter 320 and at a terminal (not marked) of the second switch 360 with the second connection 340 of the DC / DC converter 320 connected.

Der DC/DC-Wandler 320 ist ausgangsseitig mit der den Schalter 280 umfassenden ersten Koppeleinrichtung (nicht gekennzeichnet) verbunden. Der von der ersten Koppeleinrichtung umfasste Schalter 280 ist dabei zwischen dem zweiten Anschluss 340 und dem dritten Anschluss 370 des DC/DC-Wandlers (Watkins-Konverter) 320 geschaltet. The DC / DC converter 320 is the output side with the switch 280 comprehensive first coupling device (not marked) connected. The switch comprised by the first coupling device 280 is between the second port 340 and the third port 370 of DC / DC converter (Watkins converter) 320 connected.

Bei der in der 4 dargestellten Architektur wird das erste Batteriemodul 171 zum Einstellen der Ausgangsspannung der Batterie 20 über den zugeordneten Watkins-Konverter 320 hochfrequent getaktet. Insbesondere wird dabei zum Einstellen einer negativen Ausgangsspannung der Batterie 20 eine geeignete negative Ausgangsspannung des Watkins-Konverters 320 erzeugt. Das erste Batteriemodul 171 kann mittels des Schalters 280 überbrückt werden, so dass wenn das erste Batteriemodul defekt ist, auch seine Ausgangspannung auf null Volt abgesenkt werden kann.When in the 4 architecture is the first battery module 171 for adjusting the output voltage of the battery 20 via the associated Watkins converter 320 high-frequency clocked. In particular, it is used to set a negative output voltage of the battery 20 a suitable negative output voltage of the Watkins converter 320 generated. The first battery module 171 can by means of the switch 280 be bridged, so that if the first battery module is defective, and its output voltage can be lowered to zero volts.

Mehrere der zweiten Batteriemodule 172, von denen nur ein einziges in der 4 dargestellt ist, können mittels einer ihnen zugeordneten Koppelvorrichtung (nicht explizit gekennzeichnet), die eine Vollbrücke 460 aus vier Schaltern 470, 480, 490, 500 umfasst, als Ganzes zu dem Batteriestrang 180 zugeschaltet oder überbrückt werden.Several of the second battery modules 172 of which only a single in the 4 can be represented by means of an associated Coupling device (not explicitly marked), which is a full bridge 460 from four switches 470 . 480 . 490 . 500 as a whole to the battery string 180 switched on or bridged.

Die mehreren zweiten Batteriemodule 172 sind dabei als Ganzes zwischen einem ersten Anschluss 510 und einem zweiten Anschluss 520 der Vollbrücke 460 geschaltet. Der erste Schalter 470 der Vollbrücke 460 ist zwischen dem ersten Anschluss 510 und einem dritten Anschluss 530 der Vollbrücke 460 geschaltet. Der zweite Schalter 480 der Vollbrücke 460 ist zwischen dem ersten Anschluss 510 und einem vierten Anschluss 540 der Vollbrücke 460 geschaltet. Der dritte Schalter 490 der Vollbrücke 460 ist zwischen dem zweiten Anschluss 520 und dem dritten Anschluss 530 der Vollbrücke 460 geschaltet. Der vierte Schalter 500 der Vollbrücke 460 ist zwischen dem zweiten Anschluss 520 und dem vierten Anschluss 540 der Vollbrücke 460 geschaltet. Der dritte Anschluss 530 der Vollbrücke 460 ist mit dem zweiten Anschluss 340 des DC/DC-Wandlers 320 und der vierte Anschluss 540 der Vollbrücke 460 mit der Masse 50 verbunden.The several second battery modules 172 are there as a whole between a first connection 510 and a second port 520 the full bridge 460 connected. The first switch 470 the full bridge 460 is between the first port 510 and a third port 530 the full bridge 460 connected. The second switch 480 the full bridge 460 is between the first port 510 and a fourth connection 540 the full bridge 460 connected. The third switch 490 the full bridge 460 is between the second port 520 and the third port 530 the full bridge 460 connected. The fourth switch 500 the full bridge 460 is between the second port 520 and the fourth connection 540 the full bridge 460 connected. The third connection 530 the full bridge 460 is with the second connection 340 of the DC / DC converter 320 and the fourth connection 540 the full bridge 460 with the crowd 50 connected.

Bei der in der 4 dargestellten Architektur werden die mehreren zweiten Batteriemodule 172 zum Einstellen der Ausgangsspannung der Batterie 20 über die ihnen zugeordnete Koppelvorrichtung, insbesondere über die ihnen zugeordnete Vollbrücke 220, als Ganzes betrieben und dabei als Ganzes niederfrequent getaktet.When in the 4 architecture shown are the multiple second battery modules 172 for adjusting the output voltage of the battery 20 via the coupling device assigned to it, in particular via the full bridge assigned to it 220 operated as a whole and clocked low frequency as a whole.

Der mittels der Batterie 20 zu betreibende Motor 160 ist zwischen dem dritten Anschluss 370 des DC/DC-Wandlers (Watkins-Konverter) 320 und der Masse 210 geschaltet.The by means of the battery 20 motor to be operated 160 is between the third port 370 of DC / DC converter (Watkins converter) 320 and the crowd 210 connected.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102010027864 A1 [0007] DE 102010027864 A1 [0007]

Claims (10)

Batterie (20) mit mindestens einem Batteriestrang (180), der mindestens ein erstes Batteriemodul (171), mindestens ein zweites Batteriemodul (172), und mindestens einen dem mindestens einen ersten Batteriemodul (171) zugeordneten DC/DC-Wandler (220, 320) umfasst, wobei das erste (171) und das zweite Batteriemodul (172) jeweils mindestens eine Batteriezelle (30) umfassen, das erste Batteriemodul (171) des Batteriestranges (180) mittels des ihm zugeordneten DC/DC-Wandlers (220, 320), der eingangsseitig mit dem ersten Batteriemodul (171) verbunden ist, betreibbar ist und das zweite Batteriemodul (172) zu dem Batteriestrang (180) koppelbar bzw. aus dem Batteriestrang (180) entkoppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Batteriemodul (171) mittels einer ersten Koppeleinrichtung, die ausgangsseitig mit dem DC/DC-Wandler (220, 320) verbunden ist und insbesondere einen Schalter (280) umfasst, zu dem Batteriestrang (180) koppelbar bzw. aus dem Batteriestrang (180) entkoppelbar ist.Battery ( 20 ) with at least one battery string ( 180 ), the at least one first battery module ( 171 ), at least one second battery module ( 172 ), and at least one of the at least one first battery module ( 171 ) associated DC / DC converter ( 220 . 320 ), the first ( 171 ) and the second battery module ( 172 ) at least one battery cell ( 30 ), the first battery module ( 171 ) of the battery string ( 180 ) by means of its associated DC / DC converter ( 220 . 320 ), the input side with the first battery module ( 171 ) is operable and the second battery module ( 172 ) to the battery string ( 180 ) coupled or from the battery string ( 180 ) is decoupled, characterized in that the first battery module ( 171 ) by means of a first coupling device, the output side with the DC / DC converter ( 220 . 320 ) and in particular a switch ( 280 ), to the battery string ( 180 ) coupled or from the battery string ( 180 ) can be decoupled. Batterie (20) nach Anspruch 1, wobei das erste Batteriemodul (171) eine größere Anzahl von Batteriezellen (30) als das zweite Batteriemodul (172) umfasst.Battery ( 20 ) according to claim 1, wherein the first battery module ( 171 ) a larger number of battery cells ( 30 ) as the second battery module ( 172 ). Batterie (20) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der DC/DC-Wandler ein Tiefsetzsteller (220) ist, der in die Laderichtung des ersten Batteriemoduls (171) als Hochsetzsteller ausgeführt ist.Battery ( 20 ) according to one of claims 1 or 2, wherein the DC / DC converter is a buck converter ( 220 ), which is in the charging direction of the first battery module ( 171 ) is designed as a boost converter. Batterie (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der DC/DC-Wandler dazu ausgebildet ist, eine positive Eingangsspannung in eine negative Ausgangsspannung umzuwandeln, und insbesondere als Watkins-Konverter (320) ausgebildet ist.Battery ( 20 ) according to one of the preceding claims, wherein the DC / DC converter is designed to convert a positive input voltage into a negative output voltage, and in particular as Watkins converter ( 320 ) is trained. Batterie (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens ein zweites Batteriemodul (172) mittels einer ihm zugeordneten zweiten Koppeleinrichtung, die insbesondere zwei Schalter (191, 201) umfasst, zu dem Batteriestrang (180) koppelbar bzw. aus dem Batteriestrang (180) entkoppelbar ausgebildet ist und/oder, wenn der Batteriestrang (180) eine Vielzahl von zweiten Batteriemodulen (172) umfasst, zumindest mehrere oder alle zweiten Batteriemodule (172) als Ganzes mittels einer mehreren oder allen zweiten Batteriemodulen (172) zugeordneten Koppeleinrichtung, die insbesondere eine Vollbrücke (460) aus vier Schaltern (470, 480, 490, 500) umfasst, zu dem Batteriestrang (180) koppelbar und aus dem Batteriestrang (180) entkoppelbar sind.Battery ( 20 ) according to one of the preceding claims, wherein at least one second battery module ( 172 ) by means of a second coupling device assigned to it, which in particular has two switches ( 191 . 201 ), to the battery string ( 180 ) coupled or from the battery string ( 180 ) decoupled and / or when the battery string ( 180 ) a plurality of second battery modules ( 172 ), at least several or all second battery modules ( 172 ) as a whole by means of a plurality or all of the second battery modules ( 172 ) associated coupling device, in particular a full bridge ( 460 ) of four switches ( 470 . 480 . 490 . 500 ), to the battery string ( 180 ) and from the battery string ( 180 ) can be decoupled. Verfahren zum Einstellen der Ausgangsspannung einer Batterie (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung einer gewünschten Ausgangsspannung der Batterie (20) das erste Batteriemodul (171) mittels eines ersten Taktsignals mit einer ersten Taktfrequenz getaktet wird und das zweite Batteriemodul (172) mittels eines zweiten Taktsignals mit einer gegenüber der ersten Taktfrequenz kleineren zweiten Taktfrequenz getaktet wird.Method for adjusting the output voltage of a battery ( 20 ) according to one of the preceding claims, characterized in that for generating a desired output voltage of the battery ( 20 ) the first battery module ( 171 ) is clocked by means of a first clock signal with a first clock frequency and the second battery module ( 172 ) is clocked by means of a second clock signal having a second clock frequency which is smaller than the first clock frequency. Verfahren nach Anspruch 6, wobei wenn die Batterie (200) einen mit dem ersten Batteriemodul (171) eingangsseitig verbundenen DC/DC-Wandler (320) umfasst, der dazu ausgeführt ist, eine positive Eingangsspannung auch in eine negative Ausgangsspannung umzuwandeln, zum Einstellen einer negativen Ausgangsspannung der Batterie (20) eine geeignete negative Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers (320) erzeugt wird.Method according to claim 6, wherein when the battery ( 200 ) one with the first battery module ( 171 ) input-side connected DC / DC converter ( 320 ) adapted to also convert a positive input voltage into a negative output voltage, for setting a negative output voltage of the battery ( 20 ) a suitable negative output voltage of the DC / DC converter ( 320 ) is produced. Vorrichtung zum Einstellen der Ausgangsspannung einer Batterie (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung dazu ausgebildet ist, zur Erzeugung einer gewünschten Ausgangsspannung der Batterie (20) das erste Batteriemodul (171) mittels eines ersten Taktsignals mit einer ersten Taktfrequenz und das zweite Batteriemodul (172) mittels eines zweiten Taktsignals mit einer gegenüber der ersten Taktfrequenz kleineren zweiten Taktfrequenz zu takten.Device for adjusting the output voltage of a battery ( 20 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the device is designed to generate a desired output voltage of the battery ( 20 ) the first battery module ( 171 ) by means of a first clock signal having a first clock frequency and the second battery module ( 172 ) Clock by means of a second clock signal with a relation to the first clock frequency smaller second clock frequency. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei wenn die Batterie (20) einen mit dem ersten Batteriemodul (171) eingangsseitig verbundenen DC/DC-Wandler (320) umfasst, der dazu ausgeführt ist, eine positive Eingangsspannung in eine negative Ausgangsspannung umzuwandeln, zum Einstellen einer negativen Ausgangsspannung der Batterie (20) eine geeignete Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers (320) erzeugt wird.Apparatus according to claim 8, wherein when the battery ( 20 ) one with the first battery module ( 171 ) input-side connected DC / DC converter ( 320 ) configured to convert a positive input voltage to a negative output voltage for adjusting a negative output voltage of the battery ( 20 ) a suitable output voltage of the DC / DC converter ( 320 ) is produced. Kraftfahrzeug mit einem Batteriesystem (10) zum Betreiben eines Gleichstrommotors (160), dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriesystem (10) eine Batterie (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9 umfasst und das Batteriesystem (10) in einem Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs angeordnet ist.Motor vehicle with a battery system ( 10 ) for operating a DC motor ( 160 ), characterized in that the battery system ( 10 ) a battery ( 20 ) according to one of claims 1 to 5 and a device according to one of claims 8 or 9 and the battery system ( 10 ) is arranged in a drive train of the motor vehicle.
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