DE102012212556A1 - Battery mounted in motor vehicle e.g. electric vehicle, has battery module which is designed as multi-stage battery module, by switching battery module voltage to fraction of full voltage of battery module by coupling circuit - Google Patents

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Stefan Butzmann
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Abstract

The battery is provided with several battery modules (50) which are arranged in a battery module strand. The battery module is comprised of a coupling circuit (51), the battery cells (23), the battery module terminals (31,32) and the switches. The coupling circuit of the battery module is operated by the switches, so that battery module terminals are connected or disconnected to the battery module. The battery module is designed as multi-stage battery module, by switching the battery module voltage to fraction of the full voltage of the battery module by the coupling circuit. Independent claims are included for the following: (1) a method for generating adjustable battery voltage; and (2) a motor vehicle.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie mit einer Mehrzahl von in einem Batteriemodulstrang angeordneten Batteriemodulen, die jeweils mehrere Batteriezellen, ein erstes Batteriemodulterminal, ein zweites Batteriemodulterminal und eine mehrere Schalter aufweisende Koppelschaltung umfassen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Batterie, bei der jedes Batteriemodul durch Ansteuerung von einem oder mehreren Schaltern seiner jeweiligen Koppelschaltung wahlweise dem Batteriemodulstrang zugeschaltet werden kann, so dass es über seine Batteriemodulterminals in dem Batteriemodulstrang in Serie geschaltet ist, oder aus dem Batteriemodulstrang entkoppelt werden kann, so dass es über seine Batteriemodulterminals leitend überbrückt wird. Außerdem betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zur Erzeugung einer stufenweise einstellbaren Batteriespannung.The present invention relates to a battery having a plurality of battery modules arranged in a battery module string, each of which comprises a plurality of battery cells, a first battery module terminal, a second battery module terminal and a switch having a coupling circuit. In particular, the invention relates to a battery in which each battery module can be selectively connected to the battery module string by driving one or more switches of its respective coupling circuit, so that it is connected in series via its battery module terminals in the battery module string or can be decoupled from the battery module string, so that it is conductively bridged via its battery module terminals. Moreover, the invention relates to a corresponding method for generating a stepwise adjustable battery voltage.

Stand der TechnikState of the art

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. It is becoming apparent that in the future, battery systems will increasingly be used in stationary applications as well as in vehicles such as hybrid and electric vehicles. In order to meet the voltage and available power requirements of a particular application, a large number of battery cells are connected in series. Since the power provided by such a battery must flow through all the battery cells and a battery cell can only conduct a limited current, battery cells are often additionally connected in parallel in order to increase the maximum current.

Das Prinzipschaltbild eines üblichen elektrischen Antriebssystems, wie es beispielsweise in Elektro- und Hybrid-Fahrzeugen oder auch in stationären Anwendungen wie bei der Rotorblattverstellung von Windkraftanlagen zum Einsatz kommt, ist in 1 dargestellt. Eine Batterie 10 ist an einen Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen, welcher durch einen Kondensator 11 gebildet wird. An den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen ist ein Pulswechselrichter 12, der über jeweils zwei schaltbare Halbleiterventile und zwei Dioden an drei Ausgängen gegeneinander phasenversetzte Sinusspannungen für den Betrieb eines elektrischen Antriebsmotors 13 bereitstellt. The block diagram of a conventional electric drive system, as used for example in electric and hybrid vehicles or in stationary applications such as in the rotor blade adjustment of wind turbines, is in 1 shown. A battery 10 is connected to a DC voltage intermediate circuit, which by a capacitor 11 is formed. Connected to the DC voltage intermediate circuit is a pulse inverter 12 , the in each case via two switchable semiconductor valves and two diodes at three outputs against each other phase-shifted sinusoidal voltages for the operation of an electric drive motor 13 provides.

Aus früheren Patentanmeldungen der Anmelderin sind Batterien bekannt, bei denen die Batteriemodule modifiziert werden und eine Koppelschaltung aufweisen, mit denen die Batteriemodule wahlweise dem Batteriemodulstrang zugeschaltet werden oder aus dem Batteriemodulstrang entkoppelt werden können. In der 2 ist ein Beispiel einer solchen Koppelschaltung eines Batteriemoduls gezeigt, die als Halbbrücke ausgebildet ist. Durch die verschiedenen Schalterstellungen der Schalter 21, 22 können die Batteriezellen 23 mit den Ausgängen des Batteriemoduls verbunden oder entkoppelt werden.Batteries are known from the applicant's earlier patent applications, in which the battery modules are modified and have a coupling circuit with which the battery modules can optionally be connected to the battery module string or decoupled from the battery module string. In the 2 an example of such a coupling circuit of a battery module is shown, which is designed as a half-bridge. Due to the different switch positions of the switches 21 . 22 can the battery cells 23 connected to the outputs of the battery module or decoupled.

In der 3 ist eine alternative Ausgestaltung der Koppelschaltung dargestellt, die als Vollbrücke ausgebildet ist und eine Serienschaltung von Batteriezellen 23 mit einem ersten Batteriemodulanschluss 31 und einem zweiten Batteriemodulanschluss 32 verbindet. Die Koppelschaltung weist vier Schalter 33 bis 36 auf, von denen ein Paar von Schaltern 33, 34 einen ersten Batteriemodulanschluss 31 je nach Schalterstellung entweder mit dem negativen oder mit dem positiven Ausgang der Serienschaltung von Batteriezellen 23 koppeln kann, wobei ein anderes Paar von Schaltern 35, 36 den zweiten Batteriemodulanschluss entsprechend umgekehrt mit dem verbleibenden positiven beziehungsweise negativen Ausgang koppeln kann. Bei Öffnung von allen Schaltern 33 bis 36 wird das Batteriemodul beidseitig aus einem Batteriemodulstrang entkoppelt. In the 3 an alternative embodiment of the coupling circuit is shown, which is designed as a full bridge and a series circuit of battery cells 23 with a first battery module connection 31 and a second battery module connector 32 combines. The coupling circuit has four switches 33 to 36 on, of which a pair of switches 33 . 34 a first battery module connection 31 depending on the switch position either with the negative or with the positive output of the series connection of battery cells 23 can couple, with another pair of switches 35 . 36 the second battery module connection can inversely couple with the remaining positive or negative output. When opening all switches 33 to 36 the battery module is decoupled from both sides of a battery module string.

Es werden typischerweise mehrere solcher Batteriemodule in Serie geschaltet. Dabei können durch den modularen Aufbau von Batterien durch geschaltete Batteriemodule mit Halbbrücken und/oder Vollbrücken einstellbare Ausgangsspannungen der Batterien erreicht werden. In der 4 ist eine Batterie 40 gezeigt, bei der die Batteriezellen 23 in Batteriemodulen 41 angeordnet sind, die jeweils eine Koppelschaltung nach 2 aufweisen. There are typically several such battery modules connected in series. It can be achieved by the modular design of batteries through switched battery modules with half bridges and / or full bridges adjustable output voltages of the batteries. In the 4 is a battery 40 shown at the battery cells 23 in battery modules 41 are arranged, each having a coupling circuit after 2 exhibit.

Bei einer Weiterbildung einer modularen Batterie, deren Batteriemodule mit den Koppelschaltungen ausgestattet sind, zu einem Batteriedirektinverter mit mehreren modularen Batteriesträngen wird ermöglicht, auch ohne zusätzliche Schaltung eines Wechselrichters mehrere zueinander phasenversetzte Wechselspannung zu erzeugen, beispielsweise um einen Dreiphasen-Elektromotor zu versorgen. In a development of a modular battery whose battery modules are equipped with the coupling circuits to a battery direct inverter with multiple modular battery strings is possible to produce even without additional circuit of an inverter several mutually phase-shifted AC voltage, for example, to provide a three-phase electric motor.

Jedoch hängt die Diskretisierung der Batteriespannung von der Höhe der Batteriemodulspannung ab. Dabei ist es einerseits wünschenswert, die Diskretisierungsstufen möglichst klein zu halten, andererseits bedeuten kleine Batteriemodulspannungen bei gegebener maximaler Batteriespannung aber auch eine höhere Anzahl an Batteriemodulen, was mit entsprechend höherem Aufwand beispielsweise hinsichtlich Kommunikation, Kühlung, Steckeranordnung usw. verbunden ist.However, the discretization of the battery voltage depends on the height of the battery module voltage. On the one hand, it is desirable to keep the discretization levels as small as possible, on the other hand mean small battery module voltages for a given maximum battery voltage but also a higher number of battery modules, which is associated with correspondingly higher effort, for example, in terms of communication, cooling, connector assembly, etc.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß wird eine Batterie mit einer Mehrzahl von in einem Batteriemodulstrang angeordneten Batteriemodulen zur Verfügung gestellt, die jeweils mehrere Batteriezellen, ein erstes Batteriemodulterminal, ein zweites Batteriemodulterminal und eine mehrere Schalter aufweisende Koppelschaltung umfassen. Dabei kann jedes Batteriemodul durch Ansteuerung von einem oder mehreren Schaltern seiner jeweiligen Koppelschaltung wahlweise dem Batteriemodulstrang zugeschaltet werden, so dass es über seine Batteriemodulterminals in dem Batteriemodulstrang in Serie geschaltet ist, oder aus dem Batteriemodulstrang entkoppelt werden, so dass es über seine Batteriemodulterminals leitend überbrückt wird. Ferner ist zumindest eines der Batteriemodule als mehrstufiges Batteriemodul mit einer mittels seiner Koppelschaltung auf einen Bruchteil der vollen Batteriemodulspannung schaltbaren Batteriemodulspannung ausgebildet. According to the invention, a battery is provided with a plurality of battery modules arranged in a battery module modules, each having a plurality of battery cells, a first battery module terminal, a second battery module terminal and comprise a plurality of switches having coupling circuit. In this case, each battery module can optionally be switched to the battery module string by driving one or more switches of its respective coupling circuit, so that it is connected in series via its battery module terminals in the battery module string or decoupled from the battery module string, so that it is conductively bridged via its battery module terminals , Furthermore, at least one of the battery modules is designed as a multi-stage battery module with a switchable by means of its coupling circuit to a fraction of the full battery module voltage battery module voltage.

Ferner wird ein Verfahren zur Erzeugung einer stufenweise einstellbaren Batteriespannung zur Verfügung gestellt, bei dem eine modulare, mit Koppelschaltungen ausgestattete Batterie verwendet wird. Das heißt, die Batterie weist eine Mehrzahl von in einem Batteriemodulstrang angeordneten Batteriemodulen auf, die jeweils mehrere Batteriezellen, ein erstes Batteriemodulterminal, ein zweites Batteriemodulterminal und eine mehrere Schalter aufweisende Koppelschaltung umfassen, wobei jedes Batteriemodul durch Ansteuerung von einem oder mehreren Schaltern der jeweiligen Koppelschaltung wahlweise dem Batteriemodulstrang zugeschaltet werden kann, so dass es über seine Batteriemodulterminals in dem Batteriemodulstrang in Serie geschaltet ist, oder aus dem Batteriemodulstrang entkoppelt werden kann, so dass es über seine Batteriemodulterminals leitend überbrückt wird. Dabei wird verfahrensgemäß zumindest ein als ein mehrstufiges Batteriemodul ausgestaltetes Batteriemodul dazu angesteuert, eine Ausgangsspannung zu liefern, die einem Bruchteil der vollen Batteriemodulspannung des mehrstufigen Batteriemoduls entspricht. There is also provided a method of generating a step-wise adjustable battery voltage using a modular battery equipped with coupling circuits. That is, the battery has a plurality of battery modules arranged in a battery module string, each comprising a plurality of battery cells, a first battery module terminal, a second battery module terminal and a multiple switch coupling circuit, each battery module by driving one or more switches of the respective coupling circuit optionally the battery module string can be switched so that it is connected in series via its battery module terminals in the battery module string, or can be decoupled from the battery module string, so that it is bypassed conductively via its battery module terminals. In this case, according to the method, at least one battery module designed as a multi-stage battery module is driven to supply an output voltage which corresponds to a fraction of the full battery module voltage of the multi-stage battery module.

Ein Vorteil der Erfindung ist, dass eine feinere Einstellung der Batteriespannung beziehungsweise kleinere Diskretisierungsstufen ermöglicht werden. Dabei erlaubt bereits lediglich ein erfindungsgemäß modifiziertes Batteriemodul bei entsprechender Ansteuerung die Diskretisierung der gesamten Batteriespannung. Somit ist es also möglich, Batteriemodule mit herkömmlichen Koppelschaltungen nach den 2 und 3 und erfindungsgemäße Batteriemodule miteinander zu mischen. Bei der Erfindung werden mindestens ein Batteriemodul in einem Batteriemodulstrang und maximal alle Batteriemodule in dem Batteriemodulstrang als mehrstufige Batteriemodule gemäß der Erfindung ausgeführt.An advantage of the invention is that a finer adjustment of the battery voltage or smaller discretization levels are made possible. In this case, only a battery module modified according to the invention, when appropriately activated, already permits the discretization of the entire battery voltage. Thus, it is possible to battery modules with conventional coupling circuits after the 2 and 3 and battery modules according to the invention to be mixed with each other. In the invention, at least one battery module in a battery module string and at most all battery modules in the battery module string are designed as multi-stage battery modules according to the invention.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung umfassen die Koppelschaltungen der mehrstufigen Batteriemodule jeweils einen mit dem ersten Batteriemodulterminal gekoppelten ersten Ausgang, einen mit dem zweiten Batteriemodulterminal gekoppelten zweiten Ausgang und drei oder mehr Eingänge. Dabei haben die mehrstufigen Batteriemodule jeweils eine in Serie angeordnete Anzahl von Batteriezellen, wobei jeder Eingang einer Koppelschaltung jeweils mit einem unterschiedlichen Batteriezellenanschluss beziehungsweise Paar von Batteriezellenanschlüssen verbunden ist derart, dass die Anzahl der in Serie angeordneten Batteriezellen eine gleichmäßige Aufteilung in mehrere jeweils zwischen einem unterschiedlichen Paar von Eingängen geschalteten Teilanzahlen von Batteriezellen bildet.According to one embodiment of the invention, the coupling circuits of the multi-stage battery modules each comprise a first output coupled to the first battery module terminal, a second output coupled to the second battery module terminal, and three or more inputs. In this case, the multi-stage battery modules each have a series-arranged number of battery cells, each input of a coupling circuit is connected to a different battery cell terminal or pair of battery cell terminals such that the number of series-arranged battery cells evenly divided into several each between a different pair forms part numbers of battery cells connected to inputs.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Koppelschaltungen der mehrstufigen Batteriemodule jeweils dazu ausgebildet, durch Ansteuerung ihrer jeweiligen Schalter wahlweise eine oder mehrere der Teilanzahlen der jeweiligen in Serie angeordneten Batteriezellen zwischen das erste Batteriemodulterminal und das zweite Batteriemodulterminal zu schalten und die restlichen Batteriezellen der in Serie geschalteten Batteriezellen jeweils von dem ersten Batteriemodulterminal und/oder dem zweiten Batteriemodulterminal zu entkoppeln. In a particularly advantageous embodiment of the invention, the coupling circuits of the multi-stage battery modules are each designed to selectively switch one or more of the partial numbers of the respective battery cells arranged in series between the first battery module terminal and the second battery module terminal by driving their respective switch and the remaining battery cells of in Series connected battery cells in each case from the first battery module terminal and / or the second battery module terminal decouple.

Dadurch ergibt sich eine besonders hohe Flexibilität, insbesondere wenn jede der Batteriezellengruppen beziehungsweise Teilanzahlen von Batteriezellen separat ansprechbar sind, und es kann auf einfache Weise eine gleichmäßige Entladung oder Aufladung aller Batteriezellen gewährleistet werden. Dies wird bevorzugt durch eine entsprechende Batterieüberwachungseinheit oder Steuerungsschaltung überwacht.This results in a particularly high flexibility, in particular if each of the battery cell groups or partial numbers of battery cells can be addressed separately, and it can be ensured in a simple manner a uniform discharge or charging of all battery cells. This is preferably monitored by a corresponding battery monitoring unit or control circuit.

Nach einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist zumindest eine der Koppelschaltungen dazu ausgebildet, zumindest eine der Teilanzahlen der Batteriezellen wahlweise mit positiver Polarität oder negativer Polarität zwischen das erste Batteriemodulterminal und das zweite Batteriemodulterminal zu schalten. Dadurch kann auch eine höhere oder bis auf die doppelte Spannung erhöhte Amplitude der einstellbaren Batterieausgangsspannung erzeugt werden.According to another advantageous embodiment of the invention, at least one of the coupling circuits is adapted to switch at least one of the number of parts of the battery cells with either positive polarity or negative polarity between the first battery module terminal and the second battery module terminal. As a result, a higher or up to twice the voltage increased amplitude of the adjustable battery output voltage can be generated.

Es wird bevorzugt, die Koppelschaltungen gemäß einer Multilevel-Konverter-Topologie anzuordnen. Besonders bevorzugt wird dabei eine Dioden-geklemmte Multilevel-Konverter-Topologie verwendet. It is preferred to arrange the coupling circuits according to a multilevel converter topology. Particular preference is given to using a diode-clamped multilevel converter topology.

Ein Vorteil davon ist, dass auf diese Weise eine besonders robuste Spannungserzeugung in den Batteriemodulen erreicht werden kann. Auch können durch die Dioden unerwünschte Stromflüsse insbesondere bei fehlerhaften Polungen vermieden werden.An advantage of this is that in this way a particularly robust voltage generation can be achieved in the battery modules. Also can be avoided by the diodes unwanted currents especially in case of incorrect polarity.

Gemäß einer besonders einfachen Ausführungsform der Erfindung ist bei zumindest einer der Koppelschaltungen eine Topologie vorgesehen, die an die Topologie eines dreistufigen Wandlers angelehnt ist. Dabei weist die Koppelschaltung eine Serienschaltung aus vier Schaltern auf, deren ersten beiden Schalter parallel zu der betreffenden Serienschaltung von Batteriezellen und deren letzten beiden Schalter in Serie zu der Serienschaltung von Batteriezellen zwischen dem ersten Batteriemodulterminal und dem zweiten Batteriemodulterminal geschaltet sind. Ferner umfasst bei dieser Ausführungsform die Koppelschaltung eine erste Diode, deren Kathode mit einem zwischen den ersten beiden Schaltern angeordneten Anschluss verbunden ist und deren Anode mit einem mittleren Eingang der Koppelschaltung verbunden ist, und eine zweite Diode, deren Anode mit einem zwischen den letzten beiden Schaltern angeordneten Anschluss verbunden ist und deren Kathode mit dem mittleren Eingang der Koppelschaltung verbunden ist. According to a particularly simple embodiment of the invention is at least one of Coupling circuits provided a topology that is similar to the topology of a three-stage converter. In this case, the coupling circuit to a series circuit of four switches, the first two switches are connected in parallel to the relevant series circuit of battery cells and their last two switches in series with the series connection of battery cells between the first battery module terminal and the second battery module terminal. Furthermore, in this embodiment, the coupling circuit comprises a first diode whose cathode is connected to a connection arranged between the first two switches and whose anode is connected to a middle input of the coupling circuit, and a second diode whose anode is connected to one between the last two switches arranged connection is connected and whose cathode is connected to the central input of the coupling circuit.

Dadurch wird auf eine besonders einfache Weise ein dreistufiges Batteriemodul zur Verfügung gestellt, das mit einer Zwischenstufe auf die halbe Batteriemodulspannung geschaltet werden kann. As a result, a three-stage battery module is provided in a particularly simple manner, which can be switched with an intermediate stage to half the battery module voltage.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Batterie sind mehrere Batteriestränge in der Batterie vorgesehen, beispielsweise drei Batteriestränge, die mit den Anschlüssen eines Dreiphasen-Elektromotors verbindbar sind. Jeder der Batteriemodulstränge weist dabei zumindest ein mehrstufiges Batteriemodul gemäß der Erfindung auf. In an advantageous development of the battery, several battery strings are provided in the battery, for example, three battery strings, which are connectable to the terminals of a three-phase electric motor. Each of the battery module strings has at least one multi-stage battery module according to the invention.

Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Batterie als Batteriedirektinverter betrieben, so dass die Batteriestränge zueinander phasenversetzte Wechselspannungen erzeugen, welche Spannungsstufen aufweisen, deren Feinheit durch eine entsprechende Ansteuerung der mehrstufigen Batteriemodule eingestellt wird.In a further development of the method according to the invention, the battery is operated as a direct battery inverter, so that the battery strings generate mutually phase-shifted alternating voltages, which have voltage levels whose fineness is set by a corresponding control of the multi-stage battery modules.

Die erfindungsgemäße Batterie ist vorzugsweise eine Lithium-Ionen-Batterie.The battery according to the invention is preferably a lithium-ion battery.

Erfindungsgemäß wird auch ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, zur Verfügung gestellt, das die erfindungsgemäße Batterie aufweist, wobei die Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist. The invention also provides a motor vehicle, in particular an electric or hybrid vehicle, which has the battery according to the invention, the battery being connected to a drive system of the motor vehicle.

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 ein Prinzipschaltbild eines üblichen elektrischen Antriebssystems mit einer Batterie gemäß dem Stand der Technik, die an einem Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen ist, 1 FIG. 2 is a circuit diagram of a conventional electric drive system with a battery according to the prior art, which is connected to a DC voltage intermediate circuit,

2 eine Koppelschaltung für ein Batteriemodul gemäß dem Stand der Technik, die als Halbbrücke ausgeführt ist, 2 a coupling circuit for a battery module according to the prior art, which is designed as a half-bridge,

3 eine Koppelschaltung für ein Batteriemodul gemäß dem Stand der Technik, die als Vollbrücke ausgeführt ist, 3 a coupling circuit for a battery module according to the prior art, which is designed as a full bridge,

4 eine Batterie mit einem Batteriemodulstrang aus koppelbaren Batteriemodulen gemäß dem Stand der Technik, 4 a battery with a battery module string of couplable battery modules according to the prior art,

5 ein Prinzipschaltbild eines Batteriemoduls, bei dem eine Koppelschaltung zwischen den Batteriezellen und den Batteriemodulterminals angeordnet ist, nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung, und 5 a schematic diagram of a battery module, in which a coupling circuit between the battery cells and the battery module terminals is arranged, according to a first embodiment of the invention, and

6 ein Prinzipschaltbild eines Batteriemoduls, bei dem eine Koppelschaltung zwischen den Batteriezellen und den Batteriemodulterminals angeordnet ist, wobei die Koppelschaltung eine Dreistufen-Wandler-Topologie aufweist, nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. 6 a schematic diagram of a battery module in which a coupling circuit between the battery cells and the battery module terminals is arranged, wherein the coupling circuit has a three-stage transducer topology, according to a second embodiment of the invention.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In der 5 ist ein Prinzipschaltbild eines Batteriemoduls 50 nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bei dem eine Koppelschaltung 51 zwischen den Batteriezellen 23 und den Batteriemodulterminals 31, 32 angeordnet ist. Die Koppelschaltung 51 ist derart ausgestaltet, dass das Batteriemodul 50 ein mehrstufiges Batteriemodul bildet, das eine auf einen Bruchteil der vollen Batteriemodulspannung schaltbare Batteriemodulspannung aufweist. Die Koppelschaltung 51 weist Schalter (nicht gezeigt) und bevorzugt auch Dioden (nicht gezeigt) auf, mit denen wahlweise eine Teilanzahl der Batteriezellen 23, alle Batteriezellen 23, oder keine Batteriezelle 23 angesprochen werden kann. Wie in der 5 gezeigt, wird die Gesamtanzahl der Batteriezellen 23 durch Kontaktierung mit Eingängen 52 der Koppelschaltung 51 in Gruppen eingeteilt. Die Eingänge 52 der Koppelschaltung 51 sind dazu jeweils mit einem unterschiedlichen Batteriezellenanschluss 55 beziehungsweise, im Fall der mittleren Eingänge, mit unterschiedlichen Batteriezellenanschlüssen 55 in dem Batteriemodul 50 gekoppelt. Es werden durch Ansteuerung der Koppelschaltung 51 entweder eine, mehrere oder alle Gruppen beziehungsweise Teilanzahlen von Batteriezellen angesprochen, je nachdem welche Abstufung der Batteriespannung aktuell zu erzeugen ist. Dazu wird die Ansteuerungsschaltung (nicht gezeigt) der Koppelschaltung 51 hinreichend schnell getaktet. Somit kann jetzt eine kleinere Schrittweite für die Batterieausgangsspannung eingestellt werden, als dies einer vollen Batteriemodulspannung entspricht, bei der alle Batteriezellen 23 durchgeschaltet sind. Das Batteriemodul kann noch andere Komponenten aufweisen, wie beispielsweise eine Kühlung, oder einen Spannungssensor, die der Übersicht halber in der Zeichnung nicht dargestellt sind. In the 5 is a schematic diagram of a battery module 50 according to a first embodiment of the invention, in which a coupling circuit 51 between the battery cells 23 and the battery module terminals 31 . 32 is arranged. The coupling circuit 51 is configured such that the battery module 50 forms a multi-stage battery module having a battery module voltage switchable to a fraction of the full battery module voltage. The coupling circuit 51 has switches (not shown) and preferably also diodes (not shown), with which optionally a part number of the battery cells 23 , all battery cells 23 , or no battery cell 23 can be addressed. Like in the 5 shown, the total number of battery cells 23 by contacting with inputs 52 the coupling circuit 51 divided into groups. The inputs 52 the coupling circuit 51 are each with a different battery cell connection 55 or, in the case of the middle inputs, with different battery cell terminals 55 in the battery module 50 coupled. There are by driving the coupling circuit 51 either one, several or all groups or Teilanzahlen addressed by battery cells, depending on which gradation of the battery voltage is currently generated. For this purpose, the drive circuit (not shown) of the coupling circuit 51 clocked sufficiently fast. Thus, now a smaller step size for the battery output voltage can be set, as this corresponds to a full battery module voltage at which all battery cells 23 are turned on. The battery module may have other components, such as cooling, or a voltage sensor, which are not shown in the drawing for the sake of clarity.

In der 6 ist ein Prinzipschaltbild eines Batteriemoduls 60 nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bei dem eine Koppelschaltung zwischen den Batteriezellen und den Batteriemodulterminals angeordnet ist. Nach der in 6 gezeigten beispielhaften Ausführungsform weist die Koppelschaltung eine Dreistufen-Wandler-Topologie auf. Dadurch wird eine einfache und gleichzeitig robuste Implementierung der erfindungsgemäßen Koppeleinheit mit drei Batteriemodulspannungsstufen zur Verfügung gestellt. Gemäß der gezeigten Dreistufen-Wandler-Topologie weist die Koppeleinheit des Batteriemoduls 60 eine Serienschaltung aus vier Schaltern 61, 62, 63, 64 auf, deren ersten beiden Schalter 61, 62 in Serie zu der betreffenden Serienschaltung von Batteriezellen und deren letzten beiden Schalter 63, 64 parallel zu der Serienschaltung von Batteriezellen 23 zwischen dem ersten Batteriemodulterminal 31 und dem zweiten Batteriemodulterminal 32 geschaltet sind. In the 6 is a schematic diagram of a battery module 60 according to a second embodiment of the invention, in which a coupling circuit between the battery cells and the battery module terminals is arranged. After the in 6 In the exemplary embodiment shown, the coupling circuit has a three-level converter topology. As a result, a simple and at the same time robust implementation of the coupling unit according to the invention with three battery module voltage levels is provided. According to the illustrated three-stage converter topology, the coupling unit of the battery module 60 a series circuit of four switches 61 . 62 . 63 . 64 on, their first two switches 61 . 62 in series with the respective series connection of battery cells and their last two switches 63 . 64 parallel to the series connection of battery cells 23 between the first battery module terminal 31 and the second battery module terminal 32 are switched.

Außerdem umfasst die Koppelschaltung gemäß 6 eine erste Diode 65, deren Kathode mit einem zwischen den ersten beiden Schaltern 61, 62 angeordneten Anschluss verbunden ist und deren Anode mit einem mittleren Eingang der Koppelschaltung 51 verbunden ist, und eine zweite Diode 66, deren Anode mit einem zwischen den letzten beiden Schaltern 63, 64 angeordneten Anschluss verbunden ist und deren Kathode mit dem mittleren Eingang der Koppelschaltung 51 verbunden ist. In addition, the coupling circuit according to 6 a first diode 65 whose cathode is one between the first two switches 61 . 62 arranged connection is connected and the anode to a central input of the coupling circuit 51 is connected, and a second diode 66 whose anode has one between the last two switches 63 . 64 arranged connection is connected and the cathode to the central input of the coupling circuit 51 connected is.

Durch Schließen der Schalter 63 und 64 können die Batteriezellen 23 leitend über die Batteriemodulterminals 31, 32 überbrückt werden, so dass das Batteriemodul aktuell keine Spannung liefert. Durch Öffnen der Schalter 63, 64 und Schließen der Schalter 61, 62 werden sämtliche Batteriemodule 23 durchgeschaltet. Durch Öffnen der Schalter 61 und 64 und Schließen des Schalters 62 wird das Batteriemodul derart geschaltet, dass es nominell die halbe Batteriemodulspannung liefert. By closing the switch 63 and 64 can the battery cells 23 conducting over the battery module terminals 31 . 32 be bridged so that the battery module currently provides no voltage. By opening the switch 63 . 64 and closing the switches 61 . 62 become all battery modules 23 connected through. By opening the switch 61 and 64 and closing the switch 62 the battery module is switched to nominally supply half the battery module voltage.

Ein Fachmann erkennt, dass die Erfindung nicht auf die gemäß 6 diskutierte Multilevel-Konverter-Topologie beschränkt ist. Stattdessen kann auch eine andere geeignete Verschaltung innerhalb eines Batteriemoduls gewählt werden, die denselben Zweck erfüllt. So dienen die 5 und 6 lediglich zur Veranschaulichung des Prinzips der Erfindung. Bei einer Batterie, bei der die Erfindung eingesetzt wird, wird pro Batteriestrang vorzugsweise mindestens eins der mehrstufigen Batteriemodule verwendet, wobei sich in Verbindung mit der entsprechenden Ansteuerungssequenz eine verfeinerte Abstufung der Batteriespannung für jedes Niveau der Batteriespannung ergibt. Zur weiteren Verfeinerung der Diskretisierung weisen andere Ausführungsformen der Erfindung Batteriemodule mit komplexeren Koppelschaltungen auf, wie beispielsweise Multilevel-Konverter-Strukturen fünfter oder höherer Ordnung. A person skilled in the art recognizes that the invention does not relate to the according to 6 discussed multilevel converter topology is limited. Instead, another suitable interconnection within a battery module can be chosen, which fulfills the same purpose. So serve the 5 and 6 merely to illustrate the principle of the invention. In a battery employing the invention, at least one of the multi-stage battery modules is preferably used per battery string, with a refined grading of the battery voltage for each level of battery voltage in conjunction with the corresponding drive sequence. To further refine the discretization, other embodiments of the invention have battery modules with more complex coupling circuits, such as fifth-order or higher-order multilevel converter structures.

Claims (10)

Batterie mit einer Mehrzahl von in einem Batteriemodulstrang angeordneten Batteriemodulen (50, 60), die jeweils mehrere Batteriezellen (23), ein erstes Batteriemodulterminal (31), ein zweites Batteriemodulterminal (32) und eine mehrere Schalter (61, 62, 63, 64) aufweisende Koppelschaltung (51) umfassen, wobei jedes Batteriemodul (50, 60) durch Ansteuerung von einem oder mehreren Schaltern (61, 62, 63, 64) seiner jeweiligen Koppelschaltung (51) wahlweise dem Batteriemodulstrang zugeschaltet werden kann, so dass es über seine Batteriemodulterminals (31, 32) in dem Batteriemodulstrang in Serie geschaltet ist oder aus dem Batteriemodulstrang entkoppelt werden kann, so dass es über seine Batteriemodulterminals (31, 32) leitend überbrückt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Batteriemodule (50, 60) als mehrstufiges Batteriemodul (50, 60) mit einer mittels seiner Koppelschaltung (51) auf einen Bruchteil der vollen Batteriemodulspannung schaltbaren Batteriemodulspannung ausgebildet ist. Battery having a plurality of battery modules arranged in a battery module string ( 50 . 60 ), each having a plurality of battery cells ( 23 ), a first battery module terminal ( 31 ), a second battery module terminal ( 32 ) and a multiple switch ( 61 . 62 . 63 . 64 ) having coupling circuit ( 51 ), each battery module ( 50 . 60 ) by driving one or more switches ( 61 . 62 . 63 . 64 ) of its respective coupling circuit ( 51 ) can be optionally connected to the battery module string so that it can be connected via its battery module terminals ( 31 . 32 ) in which battery module string is connected in series or can be decoupled from the battery module string, so that it can be connected via its battery module terminals ( 31 . 32 ) is conductively bridged, characterized in that at least one of the battery modules ( 50 . 60 ) as a multi-stage battery module ( 50 . 60 ) with a by means of its coupling circuit ( 51 ) is formed to a fraction of the full battery module voltage switchable battery module voltage. Batterie nach Anspruch 1, wobei die Koppelschaltungen (51) der mehrstufigen Batteriemodule (50, 60) jeweils einen mit dem ersten Batteriemodulterminal (31) gekoppelten ersten Ausgang (53), einen mit dem zweiten Batteriemodulterminal (32) gekoppelten zweiten Ausgang (54) und drei oder mehr Eingänge (52) umfassen und wobei die mehrstufigen Batteriemodule (50, 60) ferner jeweils eine in Serie angeordnete Anzahl von Batteriezellen (23) umfassen, wobei jeder Eingang (52) einer Koppelschaltung (51) jeweils mit einem unterschiedlichen Batteriezellenanschluss (55) beziehungsweise Paar von Batteriezellenanschlüssen (55) verbunden ist derart, dass die Anzahl der in Serie angeordneten Batteriezellen (23) eine gleichmäßige Aufteilung in mehrere jeweils zwischen einem unterschiedlichen Paar von Eingängen (52) geschalteten Teilanzahlen von Batteriezellen (23) bildet. A battery according to claim 1, wherein the coupling circuits ( 51 ) of the multi-stage battery modules ( 50 . 60 ) one each with the first battery module terminal ( 31 ) coupled first output ( 53 ), one with the second battery module terminal ( 32 ) coupled second output ( 54 ) and three or more inputs ( 52 ) and wherein the multi-stage battery modules ( 50 . 60 ) Furthermore, each one arranged in series number of battery cells ( 23 ), each input ( 52 ) a coupling circuit ( 51 ) each with a different battery cell connection ( 55 ) or pair of battery cell terminals ( 55 ) is connected such that the number of series-arranged battery cells ( 23 ) a uniform division into several each between a different pair of inputs ( 52 ) switched part numbers of battery cells ( 23 ). Batterie nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Koppelschaltungen (51) der mehrstufigen Batteriemodule (50, 60) jeweils dazu ausgebildet sind, durch Ansteuerung ihrer jeweiligen Schalter (61, 62, 63, 64) wahlweise eine oder mehrere der Teilanzahlen der jeweiligen in Serie angeordneten Batteriezellen (23) zwischen das erste Batteriemodulterminal (31) und das zweite Batteriemodulterminal (32) zu schalten und die restlichen Batteriezellen (23) der in Serie geschalteten Batteriezellen (23) jeweils von dem ersten Batteriemodulterminal (31) und/oder dem zweiten Batteriemodulterminal (32) zu entkoppeln. A battery according to claim 1 or 2, wherein the coupling circuits ( 51 ) of the multi-stage battery modules ( 50 . 60 ) are each adapted to be controlled by their respective switch ( 61 . 62 . 63 . 64 ) optionally one or more of the number of parts of the respective battery cells arranged in series ( 23 ) between the first battery module terminal ( 31 ) and the second battery module terminal ( 32 ) and the remaining battery cells ( 23 ) of the series-connected battery cells ( 23 ) each from the first battery module terminal ( 31 ) and / or the second battery module terminal ( 32 ) to decouple. Batterie nach Anspruch 3, wobei zumindest eine der Koppelschaltungen (51) ferner dazu ausgebildet ist, zumindest eine der Teilanzahlen der Batteriezellen (23) wahlweise mit positiver Polarität oder negativer Polarität zwischen das erste Batteriemodulterminal (31) und das zweite Batteriemodulterminal (32) zu schalten.A battery according to claim 3, wherein at least one of the coupling circuits ( 51 ) is further adapted to at least one of the part numbers of the battery cells ( 23 ) with either positive polarity or negative polarity between the first battery module terminal ( 31 ) and the second battery module terminal ( 32 ) to switch. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eine der Koppelschaltungen (51) gemäß einer Multilevel-Konverter-Topologie, insbesondere einer Dioden-geklemmten Multilevel-Konverter-Topologie, ausgebildet ist.Battery according to one of the preceding claims, wherein at least one of the coupling circuits ( 51 ) according to a multilevel converter topology, in particular a diode-clamped multilevel converter topology. Batterie nach Anspruch 5, wobei zumindest eine der Koppelschaltungen (51) eine Serienschaltung aus vier Schaltern (61, 62, 63, 64), deren ersten beiden Schalter (61, 62) in Serie zu der betreffenden Serienschaltung von Batteriezellen (23) und deren letzten beiden Schalter (63, 64) parallel zu der Serienschaltung von Batteriezellen (23) zwischen dem ersten Batteriemodulterminal (31) und dem zweiten Batteriemodulterminal (32) geschaltet sind, aufweist, und wobei die zumindest eine der Koppelschaltungen (51) zur Implementierung einer Dreistufen-Wandler-Topologie ferner eine erste Diode (65), deren Kathode mit einem zwischen den ersten beiden Schaltern (61, 62) angeordneten Anschluss verbunden ist und deren Anode mit einem mittleren Eingang der Koppelschaltung (51) verbunden ist, und eine zweite Diode (66), deren Anode mit einem zwischen den letzten beiden Schaltern (63, 64) angeordneten Anschluss verbunden ist und deren Kathode mit dem mittleren Eingang der Koppelschaltung (51) verbunden ist, aufweist. A battery according to claim 5, wherein at least one of the coupling circuits ( 51 ) a series connection of four switches ( 61 . 62 . 63 . 64 ), whose first two switches ( 61 . 62 ) in series with the respective series connection of battery cells ( 23 ) and their last two switches ( 63 . 64 ) parallel to the series connection of battery cells ( 23 ) between the first battery module terminal ( 31 ) and the second battery module terminal ( 32 ), and wherein the at least one of the coupling circuits ( 51 ) for implementing a three-stage converter topology further comprises a first diode ( 65 ) whose cathode is connected to one between the first two switches ( 61 . 62 ) arranged connection and whose anode is connected to a central input of the coupling circuit ( 51 ), and a second diode ( 66 ), whose anode with one between the last two switches ( 63 . 64 ) arranged connection and whose cathode is connected to the central input of the coupling circuit ( 51 ) is connected. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batterie mehrere Batteriestränge, beispielsweise drei Batteriestränge, die mit den Anschlüssen eines Dreiphasen-Elektromotors verbindbar sind, aufweist, wobei jeder Batteriemodulstrang ein oder mehrere mehrstufige Batteriemodule (50, 60) aufweist.A battery according to any one of the preceding claims, wherein the battery comprises a plurality of battery strings, for example three battery strings connectable to the terminals of a three-phase electric motor, each battery module string comprising one or more multi-stage battery modules ( 50 . 60 ) having. Verfahren zur Erzeugung einer stufenweise einstellbaren Batteriespannung, bei dem eine Batterie verwendet wird, die eine Mehrzahl von in einem Batteriemodulstrang angeordneten Batteriemodulen (50, 60) aufweist, die jeweils mehrere Batteriezellen (23), ein erstes Batteriemodulterminal (31), ein zweites Batteriemodulterminal (32), und eine mehrere Schalter (61, 62, 63, 64) aufweisende Koppelschaltung (51) umfassen, wobei jedes Batteriemodul (50, 60) durch Ansteuerung von einem oder mehreren Schaltern (61, 62, 63, 64) der jeweiligen Koppelschaltung (51) wahlweise dem Batteriemodulstrang zugeschaltet werden kann, so dass es über seine Batteriemodulterminals (31, 32) in dem Batteriemodulstrang in Serie geschaltet ist, oder aus dem Batteriemodulstrang entkoppelt werden kann, so dass es über seine Batteriemodulterminals (31, 32) leitend überbrückt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein als ein mehrstufiges Batteriemodul (50, 60) ausgestaltetes Batteriemodul (50, 60) dazu angesteuert wird, eine Ausgangsspannung zu liefern, die einem Bruchteil der vollen Batteriemodulspannung des mehrstufigen Batteriemoduls (50, 60) entspricht. A method for generating a step-by-step adjustable battery voltage using a battery comprising a plurality of battery modules arranged in a battery module string ( 50 . 60 ), each having a plurality of battery cells ( 23 ), a first battery module terminal ( 31 ), a second battery module terminal ( 32 ), and a multiple switch ( 61 . 62 . 63 . 64 ) having coupling circuit ( 51 ), each battery module ( 50 . 60 ) by driving one or more switches ( 61 . 62 . 63 . 64 ) of the respective coupling circuit ( 51 ) can be optionally connected to the battery module string so that it can be connected via its battery module terminals ( 31 . 32 ) in the battery module string is connected in series, or can be decoupled from the battery module string, so that it via its battery module terminals ( 31 . 32 ) is conductively bridged, characterized in that at least one as a multi-stage battery module ( 50 . 60 ) configured battery module ( 50 . 60 ) is driven to provide an output voltage that is a fraction of the full battery module voltage of the multi-stage battery module ( 50 . 60 ) corresponds. Verfahren nach Anspruch 8, das mit einer Batterie mit mehreren Batteriesträngen nach Anspruch 7 durchgeführt wird, wobei die Batterie als Batteriedirektinverter betrieben wird, so dass die Batteriestränge zueinander phasenversetzte Wechselspannungen erzeugen, die Spannungsstufen aufweisen, deren Feinheit durch die eine entsprechende Ansteuerung der mehrstufigen Batteriemodule (50, 60) eingestellt wird.The method of claim 8, performed with a battery having multiple battery strings according to claim 7, wherein the battery is operated as a battery direct inverter, so that the battery strings to each other generate phase-shifted AC voltages having voltage levels whose fineness by the appropriate control of the multi-stage battery modules ( 50 . 60 ) is set. Kraftfahrzeug, insbesondere Elektro- oder Hybridfahrzeug, das eine Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist, wobei die Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist. Motor vehicle, in particular electric or hybrid vehicle, having a battery according to one of claims 1 to 7, wherein the battery is connected to a drive system of the motor vehicle.
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