-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem mit mindestens drei Batteriesträngen, die jeweils mindestens einen DC/DC-Wandler aufweisen und den Betrieb eines Mehrphasen-Elektromotors ohne zusätzlichen Einsatz einer Inverter-Elektronik ermöglichen.
-
Stand der Technik
-
Es zeichnet sich ab, dass in der Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie zum Beispiel bei Windkraftanlagen, in Fahrzeugen, wie zum Beispiel in Hybrid- und Elektrofahrzeugen, als auch im Verbraucherbereich (Consumer-Bereich), wie zum Beispiel bei Laptops und Mobiltelefonen, vermehrt neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich der Zuverlässigkeit, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden. Für solche Aufgaben sind insbesondere Batteriesysteme mit Lithium-Ionen-Technologie geeignet. Solche Batteriesysteme zeichnen sich unter anderem durch eine hohe Energiedichte und eine äußerst geringe Selbstentladung aus.
-
Aus dem Dokument
DE 10 2009 028 977 A1 ist ein auf dieser Technologie basierendes Batteriesystem bekannt, das mindestens zwei DC/DC-Wandler und mindestens zwei Batteriemodule umfasst, wobei an jeweils einem ersten Eingang eines DC/DC-Wandlers ein Batteriemodul angeschlossen ist und wobei die mindestens zwei Batteriemodule über mindestens eine elektrische Verbindung miteinander verbunden sind zwecks Ladungsausgleichs zwischen den mindestens zwei Batteriemodulen. Ein Batteriemodul umfasst dabei eine einzelne Batteriezelle oder eine Schaltung von mehreren Batteriezellen.
-
Aus dem Stand der Technik sind ferner eine bestimmte Anzahl an Batteriesträngen aufweisende Batteriesysteme bekannt, deren Batteriestränge jeweils in einzelne Batteriemodule unterteilt sind. Dabei kann jedes Batteriemodul seinem zugeordneten Batteriestrang zugeschaltet oder beispielsweise im Falle eines Defektes innerhalb des Batteriestrangs überbrückt werden.
-
Des Weiteren existieren im Stand der Technik Ansätze, wie die zuvor genannten Batteriesysteme dazu genutzt werden können, mehrphasige Wechselspannungen, beispielsweise für den Betrieb eines Elektromotors zu generieren. Dabei muss bei den bisherigen Ansätzen allerdings mit Hilfe eines Regelalgorithmus in einem zentralen Steuergerät die Spannung der einzelnen Batteriestränge eines entsprechenden Batteriesystems so eingestellt werden, dass sich in dem Elektromotor beziehungsweise in dessen Eingangs-Strängen die gewünschten Strangströme einstellen. Allerdings ist die Realisierung derartiger Batteriesysteme sehr aufwendig und der Antrieb eines Elektromotors mit selbigen sehr rechenintensiv, insbesondere da nicht nur die Motorregelung, sondern auch das gesamte Batteriemanagement auf einem einzelnen Controller durchgeführt werden muss.
-
Die 1 zeigt ein Batteriesystem 30 mit einem Batteriestrang 28 des Standes der Technik, in welchem die Eigenschaften der zuvor genannten Batteriesysteme 30 des Standes der Technik innerhalb des Batteriestrangs 28 kombiniert zum Einsatz kommen. Zwischen dem lastnahen und dem lastfernen Ende 26, 27 des Batteriestrangs 28 ist eine Vielzahl an Batteriemodulen 16 zu dem Batteriestrang 28 in Reihe geschaltet. Drei aus der Vielzahl der Batteriemodule 16 sind in 1 ausgestaltet dargestellt, während eine nicht weiter bestimmte Anzahl an weiteren Batteriemodulen 16 über eine Punktlinie angedeutet sind. Die drei dargestellten Batteriemodule 16 enthalten jeweils eine Batteriezelle 14, welche in zwei der Batteriemodule 16 über die Ansteuerung jeweils einer Halbbrückenschaltung, bestehend aus zwei Schaltmitteln 11, 12, dem Batteriestrang 28 hinzugeschaltet oder von diesem entkoppelt werden können. Dabei ist die Batteriezelle 14 dem Batteriestrang 28 zugeschaltet, wenn das Schaltmittel 11 geschlossen und das Schaltmittel 12 geöffnet ist. Ist hingegen das Schaltmittel 12 geschlossen und das Schaltmittel 11 geöffnet, ist die Batteriezelle 14 von dem Batteriestrang 28 entkoppelt. In dem obersten Batteriemodul 16 im Batteriestrang 28, also in dem dem lastnahen Ende 26 des Batteriestrangs 28 innerhalb des Batteriestrangs 28 am nächsten gelegenen Batteriemodul 16 ist eine Batteriezelle 14 parallel zu einem DC/DC-Wandler 2 geschaltet, welcher einen Ausgang 4 aufweist, über welchen das Batteriesystem 30 mit einer zu treibenden Last verbindbar ist. Das lastferne Ende 27 des Batteriestrangs 28 ist mit Masse verbunden. Sowohl über die gezielte Ansteuerung der Batteriemodule 16, das heißt über das gezielte Hinzuschalten von Batteriezellen 14 zu dem beziehungsweise das Entkoppeln von Batteriezellen 14 von dem Batteriestrang 28, als auch über die Steuerung des DC/DC-Wandlers 2, lässt sich der Strom aus dem Ausgang 4 des DC/DC-Wandlers 2 einstellen.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Erfindungsgemäß wird ein Batteriesystem bereitgestellt, welches mindestens drei Batteriestränge umfasst, wobei die Batteriestränge jeweils mehrere in Reihe angeordnete Batteriemodule zwischen jeweils einem lastfernen Ende und einem lastnahen Ende aufweisen. Je Batteriestrang ist mindestens ein Batteriemodul so ausgebildet, dass es durch Ansteuerung dem Batteriestrang zugeschaltet oder von dem Batteriestrang entkoppelt werden kann. Mindestens ein Batteriemodul innerhalb jedes Batteriestrangs weist mindestens eine dem Batteriestrang in Reihe geschaltete Batteriezelle auf. Ferner sind die lastfernen Enden aller Batteriestränge miteinander verbunden. In mindestens drei Batteriesträngen ist jeweils ein Batteriemodul im Batteriestrang zu einem DC/DC-Wandler parallel geschaltet.
-
Der Vorteil eines solchen Batteriesystems ist darin gegeben, dass der Ausgangsstrom eines jeden Batteriestrangs über dessen DC/DC-Wandler individuell und unabhängig von dem Ausgangsstrom der anderen Batteriestränge eingestellt werden kann. Jeder einzelne Batteriestrang kann somit quasi als eigene Stromquelle betrieben werden, ohne dass deren Funktionalität beziehungsweise Steuerung von der durch das Batteriesystem zu treibenden Last abhängt. Werden weitere Batteriestränge innerhalb des Batteriesystems zu den drei Batteriesträngen parallel geschaltet, dienen die innerhalb der drei Batteriestränge vorhandenen DC/DC-Wandler zudem zur Entkopplung selbiger von den weiteren Batteriesträngen.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Ausgang von jeweils einem DC/DC-Wandler eines Batteriestrangs mit jeweils einem Eingang eines Mehrphasen-Elektromotors verbindbar. Dadurch ist es möglich, das Batteriesystem, beispielsweise zum Antrieb eines Mehrphasen-Elektromotors zu verwenden, ohne dass hierfür eine Inverter-Elektronik notwendig ist. Über die einzelnen Batteriestränge kann dabei der Strom für die jeweiligen Eingangsstränge des Mehrphasen-Elektromotors direkt, das heißt ohne eine etwaige Beeinflussung durch eine Regelschleife über Motor und Steuergerät bereit- beziehungsweise eingestellt werden. Für ein Gesamtsystem aus Batteriesystem und Mehrphasen-Elektromotor wird der Regel- und Steueraufwand erheblich vereinfacht. Des Weiteren können dadurch die Kosten für die Realisierung des Gesamtsystems stark reduziert und aus genannten Gründen die Effizienz des Gesamtsystems erhöht werden.
-
Vorzugsweise weisen die jeweils parallel zu den DC/DC-Wandlern geschalteten Batteriemodule jeweils eine Anzahl an Batteriezellen auf, welche größer als die Anzahl an Batteriesträngen des Batteriesystems ist. Vorteil dessen ist, dass die Batteriezellen in diesem Batteriemodul schwächer belastet werden als diejenigen in den anderen Batteriemodulen. Dadurch kann die Lebensdauer der in diesem Batteriemodul enthaltenen Batteriezellen sicher garantiert werden.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die jeweils parallel zu den DC/DC-Wandlern geschalteten Batteriemodule innerhalb jedes Batteriestrangs jeweils die dem lastnahen Ende desselben Batteriestrangs am nächsten gelegenen Batteriemodule. Anders ausgedrückt sind die DC/DC-Wandler innerhalb der Batteriestränge jeweils parallel zu dem obersten Batteriemodul des Batteriestrangs geschaltet. Dadurch kann der aus dem Ausgang des DC/DC-Wandlers fließende Strom von einer größeren Anzahl an innerhalb des Batteriestrangs verbauten Batteriemodulen bereitgestellt werden. Der ganze Batteriestrang kann so als Stromquelle genutzt werden.
-
Vorzugsweise ist mindestens ein DC/DC-Wandler als Buck-Konverter, Boost-Konverter, Flyback-Konverter, Half-Bridge-Konverter oder als Full-Bridge-Konverter ausgeführt. Auf diese Weise kann das Batteriesystem über die Wahl der Art des Konverters beispielsweise genauer auf die Art sowie die Auslegung des zu treibenden Motors beziehungsweise einer zu treibenden Last abgestimmt werden.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform sind alle Batteriemodule des Batteriesystems, ein- oder ausschließlich der zu den DC/DC-Wandlern parallel geschalteten Batteriemodule, durch Ansteuerung dem Batteriestrang zuschaltbar oder von dem Batteriestrang entkoppelbar. Der Strom innerhalb eines Batteriestrangs kann dadurch genauer eingestellt werden. Des Weiteren ist es dadurch möglich, jedes Batteriemodul, beispielsweise im Falle eines Defektes zu überbrücken.
-
Vorzugsweise weisen die DC/DC-Wandler jeweils ein Schaltmittel zur Taktung des DC/DC-Wandlers und eine mit diesem Schaltmittel verbundene Steuereinheit auf, welche den Ausgangsstrom aus dem zugehörigen DC/DC-Wandler misst und das Schaltmittel in Abhängigkeit von dem gemessenen Ausgangsstrom zur Einstellung von dessen Höhe zu takten vermag. Dadurch wird es möglich, den Strom des Batteriestrangs in Abhängigkeit von dem Ausgangsstrom am Ausgang des DC/DC-Wandlers zu regeln. Des Weiteren kann die Steuerung des Ausgangsstroms beziehungsweise die Ansteuerung des Schaltmittels beispielsweise über eine Software oder einen Algorithmus durchgeführt und alternativ oder ergänzend auf die Ansteuerung der anderen Schaltmittel in den weiteren DC/DC-Wandlern abgestimmt werden.
-
In einer bevorzugten Weiterentwicklung dieser Ausführungsform sind die Steuereinheiten dazu ausgelegt, durch Ansteuerung der zugehörigen Schaltmittel an dem Ausgang des zugehörigen DC/DC-Wandlers eine Wechselspannung zu erzeugen. Somit kann in jedem einzelnen Batteriestrang für sich beispielsweise eine Wechselspannung mit sinusförmigem Verlauf erzeugt werden. Dadurch wird es mit dem erfindungsgemäßen Batteriesystem möglich, eine weitaus größere Vielzahl unterschiedlicher Lasten zu treiben.
-
In einer bevorzugten Weiterentwicklung dieser Ausführungsform ist die Wechselspannung an dem Ausgang eines DC/DC-Wandlers jeweils um mindestens eine Phase φ gegenüber den Wechselspannungen an den Ausgängen sämtlicher anderer DC/DC-Wandler verschoben, wobei die Multiplikation der kleinsten Phasenverschiebungen φ zwischen zwei Wechselspannungen mit der Anzahl der innerhalb des Batteriesystems vorhandenen Batteriestränge 360° ergibt. Dadurch eignet sich das Batteriesystem insbesondere für den Antrieb eines Mehrphasen-Elektromotors, wobei keine Inverter-Elektronik in dem Gesamtsystem aus Batteriesystem und Mehrphasen-Elektromotor benötigt wird.
-
Bevorzugt ist in der vorhergehenden Ausführungsform φ = 120°. Damit eignet sich das Batteriesystem besonders für einen Dreiphasen-Elektromotor, welcher der am häufigsten ausgeführte unter den Mehrphasen-Elektromotoren ist.
-
Ferner wird eine Batterie mit einem erfindungsgemäßen Batteriesystem bereitgestellt, wobei die Batterie besonders bevorzugt als eine Lithium-Ionen-Batterie ausgeführt ist. Vorteile solcher Batterien sind unter anderem in ihrer vergleichsweise hohen Energiedichte sowie ihrer großen thermischen Stabilität gegeben. Ein weiterer Vorteil von Lithium-Ionen Batterien ist, dass diese keinem Memory Effekt unterliegen.
-
Es wird ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie mit einem erfindungsgemäßen Batteriesystem bereitgestellt, wobei die Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
-
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 ein Batteriesystem des Standes der Technik mit einem Batteriestrang, und
-
2 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
In der 2 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems 30 dargestellt, welches drei Batteriestränge 28 aufweist. Jeweils zwischen den lastfernen und den lastnahen Enden 27, 26 der Batteriestränge 28 ist eine Vielzahl an Batteriemodulen 16 innerhalb der Batteriestränge 28 selbigen in Reihe geschaltet. Von dieser Vielzahl an Batteriemodulen 16 sind in jedem Batteriestrang 28 jeweils drei ausgestaltet dargestellt, während die verbleibenden Batteriemodule 16 des jeweiligen Batteriestrangs 28 jeweils über eine Strichlinie angedeutet sind. Das erfindungsgemäße Batteriesystem 30 ist dabei nicht auf drei Batteriestränge 28 beschränkt und kann auch noch weitere Batteriestränge 28 aufweisen. In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind innerhalb der Batteriestränge 28 jeweils alle außer einem der Batteriemodule 16 derart ausgestaltet, dass die in den Batteriemodulen 16 enthaltenen Batteriezellen 14 dem jeweiligen Batteriestrang 28 zuschaltbar beziehungsweise von diesem entkoppelbar sind. Die Anzahl der zuschalt- beziehungsweise entkoppelbaren Batteriemodule 16 innerhalb eines Batteriestrangs 28 ist dabei in diesem Ausführungsbeispiel rein beispielhaft gewählt. Es können beispielsweise auch erfindungsgemäße Batteriesysteme 30 mit Batteriesträngen 28 realisiert werden, in denen alle oder keines der Batteriemodule 16 einem Batteriestrang 28 zuschaltbar beziehungsweise von diesem entkoppelbar sind. Auch die Art der Zuschaltung eines Batteriemoduls 16 zu einem beziehungsweise die Art der Entkopplung eines Batteriemoduls 16 von einem Batteriestrang 28 kann sich von Ausführungsbeispiel zu Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Batteriesystems 30 unterscheiden. In diesem Ausführungsbeispiel erfolgt sie rein beispielhaft über eine Halbbrücke, welche zwei Schaltmittel 11, 12 aufweist. Ist das Schaltmittel 11 geschlossen, während das Schaltmittel 12 geöffnet ist, sind die in dem jeweiligen Batteriemodul 16 enthaltenen Batteriezellen 14 dem jeweiligen Batteriestrang 28 zugeschaltet. Ist hingegen das Schaltmittel 12 geschlossen und das Schaltmittel 11 geöffnet, sind die Batteriezellen 14 des jeweiligen Batteriemoduls 16 von dem jeweiligen Batteriestrang 28 entkoppelt beziehungsweise innerhalb des Batteriestrangs 28 überbrückt.
-
Innerhalb jedes Batteriestrangs 28 ist das jeweils dem lastnahen Ende 26 am nächsten gelegene Batteriemodul 16 nicht von dem Batteriestrang 28 entkoppelbar. Mit anderen Worten sind die Batteriemodule 16, welche innerhalb der Batteriestränge 28 unmittelbar auf die lastnahen Enden 26 der Batteriestränge 28 folgen, dauerhaft den jeweiligen Batteriesträngen 28 zugehörig und können von diesen nicht abgekoppelt beziehungsweise innerhalb dieser nicht überbrückt werden. Die jeweils in diesem Batteriemodul 16 liegenden Batteriezellen 14 sind jeweils einem DC/DC-Wandler 2 parallel geschaltet. Allerdings können auch erfindungsgemäße Batteriesysteme 30 realisiert werden, in denen die einem DC/DC-Wandler 2 parallel liegenden Batteriemodule 16 an anderen Positionen innerhalb der Batteriestränge 28 verbaut sind. Auch können diese Batteriemodule 16 dem Batteriestrang 28 zuschalt- beziehungsweise von diesem entkoppelbar sein.
-
Innerhalb aller Batteriemodule 16 des Batteriesystems 30 ist in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Batteriesystems 30 lediglich eine Batteriezelle 14 verbaut. Die Batteriemodule 16 können aber auch mehrere Batteriezellen 14, beispielsweise in einer Reihen- und/oder Parallelschaltung oder auch gar keine Batteriezellen 14 aufweisen. Die lastfernen Enden 27 der Batteriestränge 28 sind miteinander verbunden und können an ein gemeinsames Potenzial, beispielsweise an das Massepotenzial angeschlossen sein. Die innerhalb der Batteriestränge 28 verbauten DC/DC-Wandler 2 weisen jeweils einen Ausgang 4 und jeweils ein mit einer jeweiligen Steuereinheit verbundenes Schaltmittel auf, wobei sowohl das Schaltmittel als auch die jeweilige Steuereinheit in 2 nicht dargestellt sind. Das jeweilige Schaltmittel eines DC/DC-Wandlers 2 kann über dessen zugehörige Steuereinheit so angesteuert werden, dass an dem Ausgang 4 des jeweiligen DC/DC-Wandlers 2 eine Wechselspannung anliegt. Die drei Ausgänge 4 der DC/DC-Wandler 2 des in 2 dargestellten, erfindungsgemäßen Batteriesystems 30 sind jeweils mit einem von drei Eingängen 32 eines Dreiphasen-Elektromotors 40 verbunden. Das erfindungsgemäße Batteriesystem 30 ist in der Lage, die an einem Ausgang 4 eines DC/DC-Wandlers 2 anliegende Wechselspannung auf die an einem anderen Ausgang 4 anliegende Wechselspannung eines weiteren DC/DC-Wandlers 2 des Batteriesystems 30 anzupassen. Bei Betrieb des Batteriesystems 30 kann sich die jeweils von einem Ausgang 4 eines DC/DC-Wandlers 2 bereitgestellte Wechselspannung in diesem Ausführungsbeispiel beispielsweise von denjenigen Wechselspannungen, welche von den Ausgängen der anderen DC/DC-Wandler 2 bereitgestellt werden, um eine Phase von mindestens φ = 120° unterscheiden. Somit ist das in 2 dargestellte Batteriesystem 30 in der Lage, eine Dreiphasenwechselspannung bereitzustellen, welche aus drei Wechselspannungen besteht, von denen jeweils eine an je einem Ausgang 4 der DC/DC-Wandler 2 des Batteriesystems 30 anliegt. Mit dieser Dreiphasenwechselspannung kann der Dreiphasen-Elektromotor 40 gespeist werden. Allerdings ist das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Batteriesystems 30 auch in der Lage, Spannungen anderer Art, wie beispielsweise Gleichspannungen oder andere Formen von Wechselspannungen zu erzeugen. Hierfür muss lediglich die Ansteuerung des Schaltmittels innerhalb der DC/DC-Wandler 2 auf eine andere Art und Weise erfolgen.
-
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 102009028977 A1 [0003]
