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Die Erfindung betrifft eine elektrische Batterie oder Batterievorrichtung mit zumindest einem Modulstrang. „Modulstrang“ bedeutet, dass mehrere Moduleinheiten elektrisch in einer Reihe hintereinander geschaltet sind, um hierdurch Teilspannungen, die von den Moduleinheiten erzeugt werden, zu einer Gesamtspannung oder Batteriespannung aufzuaddieren. Zu der Erfindung gehören auch ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Betreiben der Batterievorrichtung.
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Im Zusammenhang mit der Erfindung ist eine Batterievorrichtung ein elektrischer Akkumulator, der also aufgeladen und entladen werden kann. In einer solchen Batterievorrichtung kann vorgesehen sein, mehrere Moduleinheiten elektrisch in einer Reihe hintereinander zu verschalten, um in der besagten Weise die von den Moduleinheiten erzeugten Teilspannungen zu einer Gesamtspannung aufzusummieren. Ein Ende einer solchen Reihe ist mit einem Batterieanschluss der Batterievorrichtung elektrisch verbunden. Ein Batterieanschluss ist hierbei ein von außen zugänglicher elektrischer Kontakt zum Abgreifen der Gesamtspannung des Modulstrangs. Jede der besagten, in Reihe geschalteten Moduleinheit kann ein Batteriemodul oder mehrere Batteriemodule aufweisen. Bei nur einem Batteriemodul kann die Moduleinheit mit der Batteriemodul identisch sein, falls alle Komponenten der Moduleinheit in das Batteriemodul integriert sind. Sind mehrere Batteriemodule in einer Moduleinheit vorgesehen, so können diese parallel geschaltet sein, um hierdurch den von einer Moduleinheit erzeugten elektrischen Strom zu vergrößern, oder in Reihe, um die Teilspannung der Moduleinheit einzustellen. Ein einzelnes Batteriemodul kann mehrere Batteriezellen und der galvanische Zellen umfassen, um in der bekannten Weise elektrochemisch eine Zellspannung zu erzeugen.
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Eine Batterievorrichtung der beschriebenen Art kann in einem Kraftfahrzeug beispielsweise als Hochvoltbatterie oder Traktionsbatterie vorgesehen sein. Unter „Hochvolt“ ist im Zusammenhang mit der Erfindung eine elektrische Spannung größer als 60 V, insbesondere größer als 100 V, zu verstehen. Die bei bekannten Batterievorrichtungen an den Batterieanschlüssen erzeugte elektrische Spannung ist eine Gleichspannung. Um hiermit eine elektrische Maschine eines Fahrantriebs eines Kraftfahrzeugs zu betreiben, muss die elektrische Gleichspannung in einen Zwischenkreis eingespeist werden, in welchem ein Zwischenkreiskondensator elektrische Energie puffert und aus welchem ein elektrischer Stromrichter die Gleichspannung abgreift und mehrere Wechselspannungen als Drehphasenwechselspannung erzeugt, die in jeweils eine Statorwicklung eines Stators der elektrischen Maschine eingespeist werden. Eine andere Bezeichnung für Drehphasenwechselspannung ist Mehrphasenwechselspannung oder Polyphasen-Wechselspannung (englisch: Polyphase System, Multi-Phase Electric Power).
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Das Bereitstellen des Zwischenkreiskondensators und des Stromrichters in einem Kraftfahrzeug bedeutet einen Bauteilaufwand, der die Herstellungskosten des Kraftfahrzeugs vergrößert.
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Im Zusammenhang mit der Energieumwandlung im Nieder-und Mittelspannungsbereich ist aus dem Stand der Technik die Modulare-Multilevel-Wandlung (MMC - Modular Multilevel Converter) bekannt, mittels welcher zum Beispiel für eine Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) Submodule in Reihe geschaltet sind, wobei jedes Submodul einen Zwischenkreiskondensator und eine IGBT-Halbbrücke (IGBT- Insulated Gate Bipolar Transistor) aufweist. In einem solchen modularen Multilevel-Umrichter sind somit Kondensatoren und Halbleiterschalter für die Umrichtung kombiniert. Dennoch muss auch ein solcher modularer Multilevel-Umrichter als Zusatzbauteil zwischen eine Hochvoltbatterie und eine elektrische Maschine geschaltet werden, was einen zusätzlichen Bauteilaufwand bedeutet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Betrieb einer elektrischen Maschine mittels einer Batterievorrichtung zu ermöglichen.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren gegeben.
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Die eingangs beschriebene elektrische Batterievorrichtung mit dem zumindest einen Modulstrang wird erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass in dem zumindest einen Modulstrang jeweils für jedes seiner Moduleinheiten eine jeweilige Überbrückungsschaltung bereitgestellt ist, die dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von einem Schaltsignal die jeweilige Moduleinheit abwechselnd zu überbrücken und die Überbrückung wieder zu unterbrechen. Mit Überbrücken ist gemeint, dass zwei Anschlusskontakte der Moduleinheit, über welche die Moduleinheit in die Reihe geschaltet ist, elektrisch kurzgeschlossen oder verbunden werden. Ein elektrischer Strom kann dann direkt zwischen den Anschlusskontakten fließen, d.h. unter Umgehung des zumindest einen Batteriemoduls der Moduleinheit. Bei Unterbrechen der Überbrückung muss ein Strom dagegen von dem einen Anschlusskontakt durch das zumindest eine Batteriemodul der Moduleinheit zu dem anderen Anschlusskontakt fließen.
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Bei der Batterievorrichtung ist des Weiteren eine Steuereinrichtung dazu eingerichtet, durch Erzeugen oder Festlegen des Schaltsignals in periodisch aufeinanderfolgenden Schaltfolgen jeweils (also pro Schaltfolge) zumindest einige der Moduleinheiten zeitlich nacheinander zu überbrücken und danach zeitlich nacheinander deren jeweilige Überbrückung wieder zu unterbrechen. Durch die Steuereinrichtung wird also ein Schaltsignal erzeugt, durch welches in jeder Schaltfolge nacheinander Moduleinheiten überbrückt werden. Hierdurch sinkt die Gesamtspannung am Batterieanschluss stufenweise oder schrittweise mit jeder Überbrückung. Danach oder anschließend werden nacheinander die Überbrückungen wieder unterbrochen oder beendet. Hierdurch steigt stufenweise mit jeder unterbrochenen oder beendeten Überbrückung, d.h. mit jedem Zuschalten einer weiteren Moduleinheit, die Gesamtspannung am Batterieanschluss wieder an. Insgesamt entsteht somit an dem Batterieanschluss des Modulstrangs eine Wechselspannung mit mehrstufigem Abfall (nacheinander Überbrücken von Moduleinheiten) und mehrstufigem Anstieg (nacheinander Zuschalten von Moduleinheiten der Reihe). Indem die Schaltfolge periodisch ist, also aufeinanderfolgende, aneinander angrenzenden Schaltzyklen wiederholt durchgeführt werden, ergibt sich ein periodischer Verlauf der Wechselspannung. Diese Wechselspannung wird aus der jeweiligen Teilspannung jeder Moduleinheit erzeugt. Es wird also aus der Gleichspannung, die jede Moduleinheit erzeugt (Teilspannung), innerhalb der Batterievorrichtung direkt an dem jeweiligen Batterieanschluss des zumindest einen Modulstrangs eine Wechselspannung bereitgestellt oder erzeugt. Es handelt sich hierbei nicht also um das einfache Einschalten und Ausschalten der Gesamtspannung. Vielmehr sind mehrere Moduleinheiten, insbesondere mindestens 5 Moduleinheiten, pro Modulstrang vorgesehen. Somit ergeben sich also mindestens zwei Zwischenstufen, insbesondere mindestens 4 Zwischenstufen, in welchen der Abfall der Wechselspannung und der Anstieg der Wechselspannung erfolgt. Bevorzugt handelt es sich bei der maximal bereitgestellten Gesamtspannung (Amplitude der Wechselspannung) um eine Hochvoltspannung.
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Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass die Batterievorrichtung selbst mit ihrem zumindest einen Modulstrang an einem jeweiligen Batterieanschluss jeweils eine Wechselspannung bereitstellen kann. Es sind also kein zusätzlicher Zwischenkreis und kein zusätzlicher Stromrichter nötig, die zwischen die Batterievorrichtung und eine elektrische Maschine geschaltet werden müssten. Die Wechselspannung jedes Batterieanschlusses kann direkt in jeweils eine Statorwicklung eines Stators der elektrischen Maschine eingespeist werden.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen, durch deren Merkmale sich zusätzliche Vorteile ergeben.
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Die Wechselspannung entsteht bezüglich eines Bezugspotenzials. Dieses ergibt sich am jeweils anderen Ende jedes Modulstrangs. Eine Weiterbildung sieht vor, dass dieses Bezugspotenzial an einem weiteren Batterieanschluss bereitgestellt ist. Mit anderen Worten ist also ein weiterer Batterieanschluss mit dem anderen Ende eines Modulstrangs elektrisch verbunden.
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Um mittels der Batterievorrichtung direkt eine elektrische Maschine betreiben zu können, ist eine Drehphasenwechselspannung nötig. Hierzu sieht eine Weiterbildung vor, dass die Batterievorrichtung mindestens 3 Modulstränge der genannten Art aufweist und die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die periodischen Schaltfolgen der Modulstränge phasenversetzt zueinander einzustellen und hierdurch an den Batterieanschlüssen der Modulstränge die Drehphasenwechselspannung zu erzeugen.
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So kann an den Batterieanschlüssen also direkt ein mehrphasiger Drehstrom von der Batterievorrichtung abgegeben werden. Es können 3 Modulstränge oder auch mehr als 3 Modulstränge insbesondere mehr als 5 Modulstränge, vorgesehen sein. Die besagte Steuereinrichtung zum Erzeugen des Schaltsignals steuert die Phasen der Schaltfolgen oder koordiniert die Schaltfolgen der unterschiedlichen Modulstränge. Bei einer Batterievorrichtung mit 3 Modulsträngen wäre der Phasenversatz 120°. Allgemein ist der Phasenversatz bei N Modulsträngen gegeben als 360°/N.
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Als Bezugspotenzial kann vorgesehen sein, dass bei jedem Modulstrang jeweils ein anderes Ende der Reihe mit einem gemeinsamen Sternpunkt elektrisch verbunden ist. Die Drehphasenwechselspannung wird also bezüglich des Sternpunkts erzeugt. Hierdurch ist in vorteilhafter Weise keine elektrische Verbindung zwischen einer durch die Batterievorrichtung betriebene elektrischen Maschine und dem Bezugspotenzial nötig.
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Das Steuern der einzelnen Überbrückungsschaltungen aller Moduleinheiten aller Modulstränge erfordert eine Vielzahl von Schaltbefehlen, sodass ein entsprechend breitbandiges Schaltsignal zum Schalten aller Überbrückungsschaltungen nötig ist. Um hier eine Übertragungsbandbreite zum Übermitteln von Schaltbefehlen zu reduzieren, kann die Steuereinrichtung mehrteilig oder verteilt ausgestaltet sein. Die Steuereinrichtung kann für jeden Modulstrang eine zumindest eine eigene Strangsteuereinheit aufweisen. Des Weiteren kann für alle Modulstränge zusammen eine Zentralsteuereinheit vorgesehen sein. Jede Strangsteuereinheit jedes Modulstrangs ist dabei dazu eingerichtet, selbstständig die jeweilige Schaltfolge des jeweiligen Modulstrangs durchzuführen, d.h. nacheinander die Moduleinheiten zu überbrücken und anschließend nacheinander die Überbrückungen wieder zu unterbrechen. Hierbei wird eine Schaltrate oder der zeitliche Abstand zwischen den Schaltvorgängen der Überbrückungsschaltungen in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Frequenzwert eingestellt. Die Schaltrate ist also der zeitliche Abstand der Schaltvorgänge an den einzelnen Moduleinheiten. Wird also eine Strangsteuereinheit ausgelöst oder aktiviert, so führt diese zumindest einmal die Schaltfolge selbstständig durch. Es müssen also nicht Schaltbefehle für jede Überbrückungseinheit einzeln an den Modulstrang übertragen werden. Die Zentralsteuereinheit ist dazu eingerichtet, den Frequenzwert in den Strangeinheiten einzustellen, also deren Schaltrate vorzugeben, und die Schaltfolgen der Modulstränge phasenversetzt auszulösen. Die Zentralsteuereinheit muss also lediglich einmal pro Schaltfolge oder sogar nur einmal pro mehreren Schaltfolgen einen Auslösebefehl aussenden. Somit muss ausgehend von der Zentralsteuereinheit nur mit einer geringeren Rate als die Schaltrate ein Auslösebefehl ausgesendet werden. Der Frequenzwert kann in Abhängigkeit zum Beispiel von einer Drehzahlvorgabe für die elektrische Maschine, also einer vorgegebenen Solldrehzahl, eingestellt werden.
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Ein Modulstrang muss nicht monolithisch aufgebaut sein. Jeder Modulstrang kann aus mindestens zwei in einer Reihenschaltung geschalteten Teilmodulsträngen gebildet sein. Jeder Teilmodulstrang weist dann einen Teil der besagten Reihe der Moduleinheiten des Modulstrangs auf. Somit kann also ein modularer Aufbau der Modulstränge vorgesehen sein. Somit lassen sich Teilmodulsträngen auswechseln, zum Beispiel bei einem Defekt einer Moduleinheit. Dies ist kostengünstiger als der Austausch eines vollständigen Modulstrangs. Des Weiteren können Teilmodulstränge untereinander über eine Schaltmatrix umgeschaltet werden, um Modulstränge mit unterschiedlicher Gesamtspannung oder Maximalspannung bereitstellen zu können.
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Um das besagte elektrische Überbrücken einer Moduleinheit zu ermöglichen, ist für jede Moduleinheit die besagte Überbrückungsschaltung nötig. Diese kann wie folgt ausgestaltet sein. Jede Moduleinheit umfasst in der beschriebenen Weise zwei Anschlusskontakte, über welche die Moduleinheit in die Reihe des jeweiligen Modulstrangs geschaltet ist. Bei der jeweiligen Überbrückungsschaltung ist zumindest ein Halbleiterschalter dazu eingerichtet, im elektrisch leitenden Zustand die beiden Anschlusskontakte elektrisch kurzzuschließen oder zu verbinden. Dies erfolgt ausschließlich im elektrisch leitenden Zustand der Anschlusskontakte. Ist der zumindest eine Halbleiterschalter elektrisch sperrend geschaltet, sind die Anschlusskontakte nur über das zumindest eine Batteriemodul des Moduleinheit elektrisch verbunden. Damit liegt die Teilspannung der Moduleinheit zwischen den Anschlusskontakten an. Um bei Überbrückung der Anschlusskontakte einen Kurzschlussstrom innerhalb der Moduleinheit zu verhindern, ist zumindest ein weiterer Halbleiterschalter dazu eingerichtet, eine elektrische Verbindung zwischen einem Zellenanschluss von Batteriezellen des zumindest einen Batteriemoduls der Moduleinheit einerseits und einem der Anschlusskontakte andererseits zu schalten, also die elektrische Verbindung abwechselnd herzustellen und zu unterbrechen. Diese elektrische Verbindung zu den Batteriezellen wird unterbrochen, falls die Anschlusskontakten kurzgeschlossen sind. Die Halbleiterschalter können über eine Verriegelungslogik derart gekoppelt sein, dass jeweils nur entweder die Überbrückung oder die Verbindung zu den Batterien besteht. Dies ist als Verriegelung bekannt.
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Die besagten Halbleiterschalter können jeweils auf der Grundlage eines Transistors oder mehrerer Transistoren gebildet sein Die Spannungsfestigkeit jedes Halbleiterschalters ist bevorzugt nur so groß, dass die elektrische Teilspannung der Moduleinheit gesperrt werden kann. Dies setzt voraus, dass die geschalteten elektrischen Ströme dies zulassen, also die beim Schalten induzierten Spannungen klein genug sind. Insbesondere ist dann also die Spannungsfestigkeit des zumindest einen Halbleiterschalters jeweils kleiner als die maximal mögliche Maximalspannung des Modulstrangs. Solche Halbleiterschalter sind kostengünstiger.
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Für den Betrieb einer elektrischen Maschine ist besonders vorgesehen, dass die Wechselspannung einen gestuften, sinusförmigen zeitlichen Verlauf aufweist. Mit anderen Worten ist durch den stufenförmigen Verlauf als Grundschwingung ein Sinus nachgebildet. Dies kann durch Einstellen der zeitlichen Abstände der Schaltvorgänge der Schaltfolgen erreicht werden.
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Die elektrische Batterievorrichtung eignet sich insbesondere für den Betrieb in einem Kraftfahrzeug. Entsprechend ist durch die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einem Fahrantrieb bereitgestellt, der eine elektrische Maschine aufweist, bei welcher in bekannter Weise ein Stator dazu eingerichtet ist, an Statorwicklungen eine Drehphasenwechselspannung zum Erzeugen eines magnetischen Drehfelds zu empfangen. Um die Drehphasenwechselspannung zu erzeugen, ist bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterievorrichtung bereitgestellt, wobei ein jeweiliger Batterieanschluss zumindest eines Modulstrangs, insbesondere mehrerer Modulstränge der Batterievorrichtung mit jeweils einer der Statorwicklungen des Stators elektrisch verbunden ist. Die elektrische Verbindung ist insbesondere eine direkte elektrische Verbindung. Mit anderen Worten ist kein Wechselrichter zwischen die Batterievorrichtung und die elektrische Maschine geschaltet.
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Die Batterievorrichtung kann aber auch z.B. als Stationärspeicher vorgesehen sein, um z.B. in einem Gebäude Wechselspannung bereitzustellen.
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Durch den Betrieb der erfindungsgemäßen Batterievorrichtung ergibt sich das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben der Batterievorrichtung. Durch die Steuereinrichtung wird also bei dem zumindest einen Modulstrang jeweils mittels eines Schaltsignals in periodisch aufeinanderfolgenden Schaltfolgen jeweils zumindest einige der Moduleinheiten nacheinander überbrückt und danach werden nacheinander die Überbrückungen wieder unterbrochen, sodass an dem Batterieanschluss des Modulstrangs eine periodische Wechselspannung mit einem mehrstufigen Abfall und anschließendem mehrstufigem Anstieg entsteht. Durch die periodische Wiederholung oder Fortsetzung dieser Schaltfolge ergibt sich dann eine Wechselspannung mit einer Grundfrequenz, die durch die Schaltrate der Überbrückungsschaltungen und damit die Dauer der Schaltfolge festgelegt werden kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist auch Weiterbildungen auf, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Batterievorrichtung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit elektrischem Fahrantrieb gemäß dem Stand der Technik;
- 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs;
- 3 ein Diagramm mit einem schematisierten Verlauf einer Wechselspannung, wie sie an einem Batterieanschluss einer Batterievorrichtung des Kraftfahrzeugs von 2 bereitgestellt werden kann;
- 4 eine schematische Darstellung eines Modulstrangs einer Batterievorrichtung des Kraftfahrzeugs von 2;
- 5 eine schematische Darstellung von Moduleinheiten des Modulstrangs von 4; und
- 6 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausgestaltung der Batterievorrichtung des Kraftfahrzeugs von 2 mit einer verteilten Steuereinrichtung.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt einen Fahrantrieb 10, der für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt sein kann. Der Fahrantrieb 10 kann eine elektrische Maschine 11 und eine aus dem Stand der Technik bekannte Traktionsbatterie oder Hochvoltbatterie 12 aufweisen. Die Hochvoltbatterie 12 kann eine Gleichspannung 13 bereitstellen, die für den Betrieb der elektrischen Maschine 11 in Wechselspannungen L1, L2, L3 umgewandelt werden muss, wobei die Wechselspannungen L1, L2, L3 zusammen eine Drehphasenwechselspannung 14 darstellen müssen.
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Hierzu sind ein Zwischenkreis 15 mit einem Zwischenkreiskondensator 16 sowie ein Stromrichter 17 nötig, die beide als ein Zusatzmodul 18 zwischen die Hochvoltbatterie 12 und die elektrische Maschine 11 geschaltet werden müssen. Um den Zwischenkreis 15 spannungsfrei schalten zu können, sind des Weiteren einzelne Schalter 19 nötig. Diese Schalter 19 können Schütze und/oder Halbleiterschalter aufweisen. Um beim Einschalten des Fahrantriebs 10 einen Aufladestrom des Zwischenkreiskondensators 16 begrenzen zu können, ist des Weiteren eine Vorladeschaltung 20 nötig.
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Das Bereitstellen des Zwischenkreiskondensators 16, des Stromrichters 17, der Schalter 19 und der Vorladeschaltung 20 macht den Fahrantrieb 10 in der Herstellung teuer und anfällig für Bauteilausfälle.
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2 zeigt ein Kraftfahrzeug 21, bei welchem eine elektrische Maschine 22 (EM) direkt an eine Batterievorrichtung 23 angeschlossen sein kann. Hierzu wird an insgesamt N Batterieanschlüssen 24 der Batterievorrichtung 23 jeweils eine Wechselspannung L1,..., LN bereitgestellt, wobei die Wechselspannungen L1,..., LN insgesamt eine Drehphasenwechselspannung 25 oder ein Wechselspannungssystem darstellen, also phasenversetzt zueinander sind.
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Mittels der Wechselspannungen L1,..., LN können Statorwicklungen 26 der elektrischen Maschine mit einem Wechselstrom versorgt oder beaufschlagt werden, um hierdurch in an sich bekannter Weise in einem Stator 27 ein magnetisches Drehfeld für einen (nicht dargestellten) Rotor der elektrischen Maschine 22 zu erzeugen.
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Um die Wechselspannungen L1,..., LN an den Batterieanschlüssen 24 zu erzeugen oder bereitzustellen, kann Batterievorrichtung 23 Modulstränge 28 aufweisen, bei denen ein Ende 29 mit jeweils einem Batterieanschluss 24 elektrisch verbunden ist. Das jeweils andere Ende 30 jedes Modulstrangs kann elektrisch mit einem gemeinsamen Sternpunkt 31 verbunden oder verschaltet sein. Die jeweilige Wechselspannung L1,..., LN wird jeweils bezüglich des Sternpunkts 31 durch jeweils einen der Modulstränge 28 erzeugt.
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3 veranschaulicht beispielhaft für die Wechselspannung L1 über der Zeit t deren zeitlichen Verlauf. Die übrigen Wechselspannungen L2,..., LN sind bezüglich der Wechselspannung L1 in an sich bekannter Weise phasenversetzt. Deren zeitlicher Verlauf entspricht aber von der Form her demjenigen der dargestellten Wechselspannung L1. Die Wechselspannung L1 weist mehrere Stufen 32 auf, in welchen die Wechselspannung innerhalb einer Schaltperiode 33 einen Abfall 34 und einen Anstieg 35 durchführt. Der Anstieg 35 ist in 3 zweiteilig dargestellt, um zu veranschaulichen, dass es am Ende der Schaltperiode 33 wieder am Anfang (der nächsten Schaltperiode) weitergeht. Die Wechselspannung L1 weist insgesamt einen Verlauf eines Sinus SIN auf. Insgesamt ergibt sich ein Spannungshub oder eine Gesamtspannung 36, die durch den Modulstrang 28 erzeugt oder bereitgestellt wird.
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4 veranschaulicht einen Modulstrang 28, dessen Ende 29 mit einem Batterieanschluss 24 und dessen anderes Ende 30 mit dem Sternpunkt 31 verschaltet sein kann. Der Modulstrang 28 kann eine Reihe 37 von Moduleinheiten 38 aufweisen, die in der Reihe 37 hintereinander geschaltet sind. Hierzu weist jede Moduleinheit 38 zwei Anschlusskontakte 39 auf, wobei jeder Anschlusskontakt 39 mit einem Anschlusskontakt des in der Reihe 37 in der nächsten Moduleinheit 38 elektrisch verbunden ist. Die in der Reihe 37 letzten Moduleinheiten 38 weisen natürlich jeweils einen Anschlusskontakt 39 auf, der mit einem der Enden 29, 30 elektrisch verbunden ist. Der Modulstrang 28 erzeugt zwischen den Enden 29, 30 eine Gesamtspannung U.
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5 veranschaulicht am Beispiel einer einzelnen der Moduleinheiten 38, wie mittels einer jeweiligen Überbrückungsschaltung 40 jeder Moduleinheit 38 eine Teilspannung 41 der Moduleinheit in der Reihe 17 zugeschalte und abgeschaltet werden kann. Die zwischen den Enden 29, 30 erzeugte Gesamtspannung U kann hierdurch stufenweise (d.h. gemäß den in 3 gezeigten Stufen 32) jeweils den Teilspannungen 41 der Moduleinheiten 38 erzeugt werden. Jede Stufe kann also einer Teilspannung 41 oder einem ganzzahligen Vielfachen davon entsprechen.
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Die gezeigte Moduleinheit 38 kann zumindest ein Batteriemodul 42 aufweisen zwischen dessen Zellanschlüssen 43 in an sich bekannter Weise die Teilspannung 41 als eine Gleichspannung elektrochemischer Zellen erzeugt werden kann. Zumindest ein Zellenanschluss 43 kann über einen Halbleiterschalter 44 der Überbrückungsschaltung 40 mit einem Anschlusskontakt 39 der Moduleinheit 38 verschaltet sein. Ein weiterer Halbleiterschalter 45 kann zwischen die Anschlusskontakte 39 geschaltet sein. Im geschlossenen oder elektrisch leitenden Zustand sind durch den Halbleiterschalter 45 die Anschlusskontakte 39 kurzgeschlossen oder elektrisch verbunden, sodass eine Überbrückung 47 vorhangen ist. Im geöffneten oder nicht-leitenden Zustand des Halbleiterschalters 45 ist diese Überbrückung 47unterbrochen. Symbolisch ist in 5 durch eine Invertierung 46 veranschaulicht, dass entweder die Überbrückung 47 eingestellt ist oder der Zellenanschluss 43 über den Halbleiterschalter 44 mit dem Anschlusskontakt 39 elektrisch verbunden ist. Die Invertierung 46 ist ein Beispiel für die beschriebene Verriegelung. Allgemein kann aber auch eine andere Verriegelungslogik aus dem Stand der Technik vorgesehen sein.
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Jeder Halbleiterschalter 44, 45 kann einen oder mehrere Transistoren umfassen. Jeder Halbleiterschalter 44, 45 ist zum Beispiel eine Parallelschaltung aus mehreren Transistoren.
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Eine Steuereinrichtung 48 kann durch ein Schaltsignal 49 die Schaltzustände der Schalter 44, 45 der Überbrückungsschaltung 40 einstellen. Jede Moduleinheit 48 kann eine Überbrückungsschaltung 40 aufweisen. Der Begriff „Schaltsignal“ meint hier die Summe aller Schaltbefehle für alle Überbrückungsschaltungen 40. Die Steuereinrichtung 28 kann zum Erzeugen der Schaltsignale 49 für die Überbrückungsschaltungen 40 zum Beispiel einen Mikrocontroller aufweisen.
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Durch Erzeugen des Schaltsignals 49 kann durch die Steuereinrichtung 48 festgelegt werden, wie viele der Moduleinheiten 38 überbrückt sind und wie viele in Reihe geschaltet sind. Die in Reihe geschalteten Moduleinheiten 38 ergeben insgesamt eine Summe ihrer Teilspannungen 41, die sich zu der aktuellen Gesamtspannung U aufaddieren. So kann durch die Steuereinrichtung 48 durch Einstellen der Anzahl der überbrückten Moduleinheiten 38 und durch nacheinander überbrücken und durch anschließendes Unterbrechen der Überbrückungen 47 der gestufte Verlauf der Wechselspannungen L1, L2,..., LN an den Batterieanschlüssen 24 eingestellt werden, wie er in 3 gezeigt ist.
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Die Moduleinheiten 38 müssen hierzu nicht der Reihe nach mittels der jeweiligen Überbrückung 47 überbrückt werden, um die Wechselspannung mit dem gestuften Verlauf gemäß 3 zu erzeugen. Um die Moduleinheiten 38 gleichmäßig abzunutzen, kann eine entsprechende Schaltreihenfolge eingestellt werden, durch welche sich eine geleichmäßige Abnutzung der Moduleinheiten 38 eines Modulstrangs 28 ergibt. D.h. ein Unterschied zwischen der von jeder Moduleinheit 38 erzeugten Energiemenge und/oder Leistung ist kleiner als ein vorbestimmter Höchstwert.
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6 veranschaulicht eine alternative Ausgestaltung der Batterievorrichtung 23. Hierbei kann vorgesehen sein, dass jeder Modulstrang 28 aus einer Reihenschaltung mehrerer Teil-Modulsträngen 28' gebildet ist. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Steuereinrichtung 28 als verteilte Einrichtung mit einer Zentralsteuereinheit 49 und mehreren Strangsteuereinheiten 50 ausgestaltet sein.
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Die Zentralsteuereinheit 49 kann beispielsweise den besagten Mikrocontroller µC aufweisen. Jede Strangsteuereinheit 50 kann dazu ausgestaltet sein, selbstständig in dem Modulstrang 28 oder in einem Teilmodulstrang 28' eine Schaltfolge 51 für die Überbrückungsschaltungen 40 einzustellen, um in dem jeweiligen Modulstrang 28 eine Schaltperiode 33 oder eine Folge von Schaltperioden 33 ohne ein Zutun der Zentralsteuereinheit 49 zu schalten. Die Zentralsteuereinheit 49 kann die einzelnen Modulstränge 28 zum Erzeugen der Drehphasenwechselspannung 25 in Bezug auf deren Phasenversatz oder Zeitversatz koordinieren. Um eine Drehgeschwindigkeit der elektrischen Maschine 22 einzustellen, kann ein Frequenzwert 52 durch die Zentralsteuereinheit 49 an die Strangsteuereinheiten 50 vorgegeben werden. Die Frequenz f, die durch den Frequenzwert 52 beschrieben ist, kann der Periodendauer T der Schaltperiode 33 entsprechen, wobei gilt: T = 1/f.
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Das elektrische Aufladen der Moduleinheiten 38 ist bei der Batterievorrichtung 21 problemlos möglich. In einer Ausführungsform können die Enden 29 der Stränge 28 mit einem gemeinsamen Ladeanschluss (nicht dargestellt) verbunden sein. Zu Aufladen kann eine Ladespannung zwischen dem Sternpunkt 31 und dem Ladeanschluss durch z.B. ein Ladegerät erzeugt werden. Die Enden 29 können jeweils über eine Diode mit dem Ladeanschluss verschaltet sein, um einen Ausgleichsstrom zwischen den Strängen 28 untereinander beim Aufladen zu vermeiden. In einer Ausführungsform können die Stränge 28 in einem Zeitmultiplexing abwechselnd mit einem Ladeanschluss verbunden werden. In einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, über zusätzliche Schaltelemente mehrere Stränge 28 in Reihe zu schalten, um eine Ladespannung verwenden zu können, die größer ist als die für das Aufladen maximal von einem Strang 28 aufnehmbare Spannung ist.
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Im Betrieb der elektrischen Maschine 22 kann mittels der Batterievorrichtung 21 auch eine Rekuperation (Generatorbetrieb der elektrischen Maschine) durchgeführt werden. Um die von der elektrischen Maschine 22 an den Batterieanschlüssen 24 erzeugte Generatorspannung zum Aufladen der Moduleinheiten 38 zu nutzen, werden angepasst an den zeitlichen Verlauf der Generatorspannung in den Strängen 28 stets so viele Moduleinheiten 38 in Reihe geschaltet, dass mittels des momentan verfügbaren Spannungswerts der Generatorspannung ein Ladestrom für die Moduleinheiten 38 entsteht, der höchstens eine vorgegebene Ladestromstärke aufweist. Der aktuelle Spannungswert kann in an sich bekannter Weise mittels einer Spannungsmessung an den Batterieanschlüssen 24 erfasst werden.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein Hochvolt-Umrichter (HV-Umrichter) in eine Hochvoltbatterie integriert werden kann.
