DE102019130739A1 - Batterie mit einer Batteriezelle und Verfahren zu deren Betrieb - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle (110) mit einer galvanischen Zelle (12), wobei die galvanische Zelle (12) einen ersten und einen zweiten Elektrodenanschluss (108, 112) aufweist, wobei der erste Elektrodenanschluss (112) an einen ersten Zellenanschluss (1) und der zweite Elektrodenanschluss (108) an einen zweiten Zellenanschluss (2) angeschlossen ist. Erfindungsgemäß weist die Batteriezelle (110) einen dritten und einen vierten Zellenanschluss (3, 4) sowie wenigstens vier Halbleiterschaltelemente (100, 102, 104, 106) auf, mittels denen die Elektrodenanschlüsse (108, 112) abhängig von einem jeweiligen Schaltzustand der Halbleiterschaltelemente (100, 102, 104, 106) jeweils mit dem dritten oder dem vierten der Zellenanschlüsse (3, 4) elektrisch koppelbar sind. Diese dienen vor allem dazu einzelne Batteriezellen aus dem System heraus-, hinzu- und/oder Zellen parallel zuschalten, unabhängig von dem (Aktivierungs- oder Deaktivierungs-) Zustand der Vor- sowie Nachfolgerzellen.

Description

  • Die Erfindung betrifft gemäß einem ersten Aspekt eine Batteriezelle mit einer galvanischen Zelle, einem ersten Halbleiterschaltelement, einem ersten Zellenanschluss, der unmittelbar mit einem ersten Potentialanschluss der galvanischen Zelle elektrisch gekoppelt ist, und einem zweiten Zellenanschluss, der über das erste Halbleiterschaltelement mit einem zweiten Potentialanschluss der galvanischen Zelle elektrisch gekoppelt ist. Die Erfindung betrifft gemäß dem ersten Aspekt ferner eine Batterie mit mehreren Batteriezellen, wenigstens zwei Batterieanschlusspolen und einer Steuereinheit, wobei eine vorgegebene Anzahl der Batteriezellen in Reihe geschaltet ist und die Reihenschaltung mit einem ersten Ende an einem ersten der wenigstens zwei Batterieanschlusspole und mit einem zweiten Ende an einem zweiten der wenigstens zwei Batterieanschlusspole angeschlossen ist. Die Erfindung betrifft gemäß dem ersten Aspekt weiterhin ein Verfahren zum Bereitstellen einer vorgebbaren elektrischen Spannung mittels einer Batterie, wobei die Batterie zumindest eine vorgegebene Anzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen umfasst, wobei jede der Batteriezellen der Reihenschaltung eine galvanische Zelle, ein erstes Halbleiterschaltelement, einen ersten Zellenanschluss, der unmittelbar mit einem ersten Potentialanschluss der galvanischen Zelle elektrisch gekoppelt ist, und einem zweiten Zellenanschluss umfasst, der über das erste Halbleiterschaltelement mit einem zweiten elektrischen Potentialanschluss der galvanischen Zelle elektrisch gekoppelt ist.
  • Die Erfindung betrifft gemäß einem zweiten Aspekt aber auch eine Batteriezelle mit einer galvanischen Zelle, wobei die galvanische Zelle einen ersten und einen zweiten Elektrodenanschluss aufweist, wobei der erste Elektrodenanschluss an einen ersten Zellenanschluss und der zweite Elektrodenanschluss an einen zweiten Zellenanschluss angeschlossen ist. Weiterhin betrifft die Erfindung gemäß dem zweiten Aspekt ein Batteriemodul mit wenigstens einer Batteriezelle. Darüber hinaus betrifft die Erfindung gemäß dem zweiten Aspekt eine Batterie mit einer Mehrzahl von benachbart zueinander anordneten und jeweils wenigstens zwei Modulanschlüsse aufweisenden Batteriemodulen, wobei jedes Batteriemodul wenigstens eine Batteriezelle umfasst. Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einem Bordnetz, das eine elektrische Maschine als Antriebseinrichtung und eine Batterie umfasst.
  • Batteriezellen, Batterien mit Batteriezellen, Verfahren zu deren Betrieb sowie Kraftfahrzeuge der gattungsgemäßen Art sind im Stand der Technik umfänglich bekannt. Batterien der gattungsgemäßen Art finden neben stationären Anwendungen, beispielsweise bei unterbrechungsfreien Energieversorgungen, elektrischen Energieversorgungen im Inselbetrieb und/oder dergleichen, auch bei Kraftfahrzeugen Einsatz, und zwar insbesondere bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen, wie beispielsweise Elektrofahrzeugen, Hybridfahrzeugen oder dergleichen.
  • Die Batterie der gattungsgemäßen Art dient in der Regel dazu, eine elektrische Energie reversibel zu speichern. Eine solche Batterie wird auch als Akkumulator bezeichnet. Zum Zwecke des reversiblen Energiespeicherns umfasst die Batterie in der Regel mehrere Batteriezellen, die jeweils eine galvanische Zelle umfassen, die die elektrische Energie chemisch zu speichern vermag. Zu diesem Zweck weist die galvanische Zelle in der Regel zwei Elektroden auf, die jeweilige Potentialanschlüsse der galvanischen Zelle bilden. Die Elektroden stehen elektrochemisch miteinander in Verbindung, beispielsweise über einen Elektrolyten, der mit den Elektroden wechselwirkt. An den Elektroden stellt sich dann eine elektrische Gleichspannung ein, die sich im Wesentlichen aufgrund der Elektrochemie ergibt. Die Gleichspannung, die sich zwischen den Elektroden einer einzelnen galvanischen Zelle einstellt, beträgt üblicherweise wenige Volt, abhängig von der Zellchemie beispielsweise etwa 1,2 V bis etwa 4,5 V.
  • Batterien der gattungsgemäßen Art sollen häufig große Gleichspannungen bereitstellen, beispielsweise bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen eine Gleichspannung in einem Bereich von mehreren 100 V, vorzugsweise etwa 400 V oder mehr, insbesondere etwa 800 V. Daraus ergibt sich, dass zur Realisierung solcher Gleichspannungen durch eine Batterie eine Vielzahl von Batteriezellen elektrisch in Reihe geschaltet werden müssen. Je nach Energie- beziehungsweise Leistungsbedarf kann ergänzend auch noch eine Parallelschaltung von Batteriezellen erforderlich sein.
  • Im Stand der Technik ist es insbesondere bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen üblich, die Batterie über einen Energiewandler, häufig durch einen Wechselrichter oder einen Gleichspannungswandler gebildet, mit einer elektrischen Maschine als Antriebseinrichtung zu koppeln. Dies erweist sich als aufwendig. Darüber hinaus ist zu bedenken, dass in der Regel als Wechselrichter Zweipunkt- oder Dreipunktwechselrichter zum Einsatz kommen. Dies führt dazu, dass bei der Energiewandlung die Frage der elektromagnetischen Verträglichkeit sehr relevant ist und darüber hinaus ein Oberwellenanteil bei einer durch den Wechselrichter bereitgestellten Wechselspannung groß sein kann. Die gleichen Überlegungen gelten dem Grunde nach auch für Gleichspannungswandler.
  • Aus der DE 10 2010 041 059 A1 ist ein Verfahren zum Einstellen einer Soll-Ausgangsspannung eines Energieversorgungszweiges eines steuerbaren Energiespeichers bekannt. Bei dieser Lehre ist ein Energiespeicher vorgesehen, der eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Energiespeichermodulen umfasst, die ihrerseits jeweils eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen umfassen. Jedes der Energiespeichermodule weist zwei Schaltelemente auf, wobei die Energiespeicherzellen mit einem der Schaltelemente in Reihe geschaltet sind und diese Reihenschaltung parallel zu dem zweiten Schaltelement geschaltet sind. Dadurch kann ein jeweiliges Energiespeichermodul durch entsprechendes Schalten der Schaltelemente aktiviert oder deaktiviert werden. Durch geeignetes Schalten der Schaltelemente soll an einem jeweiligen Ende einer derartigen Reihenschaltung eine Wechselspannung bereitgestellt werden können, und zwar nach Art eines Mehrpegelenergiewandlers (Multi Level Converter) auch als MMC, M2C, MMI, M21 oder dergleichen bezeichnet. Dadurch soll der Wechselrichter gemäß der Lehre der DE 10 2010 041 059 A1 eingespart werden können.
  • Mehrpegelenergiewandler sowie Verfahren zu deren Betrieb sind im Stand der Technik ebenfalls umfangreich bekannt, sodass es eines gesonderten druckschriftlichen Nachweises hierfür nicht bedarf. Dies gilt auch für Wandlermodule eines solchen Mehrpegelenergiewandlers, die zum Aufbau des Mehrpegelenergiewandlers dienen. Mehrpegelenergiewandler sind eine spezielle Bauart von getakteten Energiewandlern. Vorzugsweise werden solche Mehrpegelenergiewandler bidirektional eingesetzt, sodass sowohl elektrische Energie von einer Wechselspannungsseite zu einer Gleichspannungsseite als auch umgekehrt gewandelt werden kann. Üblicherweise erfolgt die Wandlung ohne wesentliche Änderung der Spannungspegel, das heißt, dass der Pegel einer maximalen Amplitude der Wechselspannung im Wesentlichen einem halben Pegel einer Zwischenkreisgleichspannung eines Gleichspannungszwischenkreises entspricht, an den der Mehrpegelenergiewandler angeschlossen ist. Dieser Sachverhalt ist bei der Stand der Technik-Topologie des MMC nachteilig, da zur Erzeugung von Spannungen unterschiedlicher Polarität (positiv als auch negativ) eine separierte Anzahl an Zellen notwendig ist, das heißt, dass zur Bildung einer zum Beispiel sinusförmigen Ausgangsspannung bei einer vorgegebenen Menge an Batteriezellen jeweils die eine Hälfte für die positive Sinushalbwelle und die andere Hälfte für die negative Sinushalbwelle benötigt werden. Damit lassen sich lediglich Ausgangsspannungen mit einem Amplitudenwert erzeugen, welcher der Hälfte der maximalen Batterieausgangsspannung entspricht.
  • Der Mehrpegelenergiewandler weist in der Regel eine Reihenschaltung aus einer Mehrzahl von Wandlermodulen auf, die ihrerseits einen Wandlermodulkondensator sowie - hierzu parallelgeschaltet - eine Reihenschaltung aus zwei in Reihe geschalteten Halbleiterschaltern umfasst. Der Wandlermodulkondensator braucht nicht nur durch einen Kondensator gebildet zu sein, sondern er kann auch eine oder mehrere Batteriezellen und/oder elektrische Energiequellen aufweisen. Aufgrund der Schaltungsstruktur ist die Steuerung der Wandlermodule gegenüber alternativen Schaltungskonzepten, insbesondere in Bezug auf einen Zweipunktwechselrichter, vergleichsweise betriebssicher, weshalb sich der Mehrpegelenergiewandler besonders für Anwendungen bei großen elektrischen Spannungen eignet. Darüber hinaus braucht der Mehrpegelenergiewandler zwischenkreisseitig keinen Zwischenkreiskondensator, der im Übrigen bei einer großen elektrischen Spannung sehr aufwendig und teuer ausfällt. Durch die Wandlermodulkondensatoren wird eine entsprechende Stützung des Gleichspannungszwischenkreises erreicht.
  • Für Mehrpegelenergiewandler sind Verschaltungsmöglichkeiten bekannt, die von sogenannten Flying-Capacitor-, Neutral-Point-Clamped (NPC)- Mehrpegelenergiewandler bis hin zu Cascaded H-Bridge (CHB) - Mehrpegelenergiewandler reichen. Letztgenannte zeichnen sich vor allem durch ihre Skalierbarkeit aus, weil sich bei diesen die Ausgangsspannung durch eine Hintereinanderschaltung einzelner Module erzeugen lässt. Die Module beziehungsweise Wandlermodule weisen meist eine H-Brückenschaltung von Halbleiterschaltern sowie den Wandlermodulkondensator auf. Alternativ kann zum Wandlermodulkondensator auch eine Batterie oder ein Batteriemodul vorgesehen sein. Je nach Schaltungsstruktur kann eine beliebige Anzahl von Phasen und damit eine beliebige n-phasige Wechselspannung erzeugt werden.
  • Neben der Variante CHB gibt es auch die Möglichkeit der Kaskadierung von Halbbrücken-Modulen, die lediglich zwei in Reihe geschaltete Halbleiterschalter sowie den zugehörigen Wandlermodulkondensator beziehungsweise Batteriezelle aufweisen. Zwar kann hierbei die Anzahl der Halbleiterschalter reduziert werden, beispielsweise etwa um die Hälfte, wodurch wiederum auch eine Reduzierung von Verlustleistung im bestimmungsgemäßen Betrieb erreicht werden kann, jedoch erweist sich diese Schaltungsstruktur dahingehend als nachteilig, als dass lediglich eine Unipolarität hinsichtlich der Wechselspannung erreicht werden kann. Dieses Problem liegt auch der Lehre der DE 10 2010 041 059 A1 zugrunde. Darüber hinaus offenbart die WO 2014/072488 A2 einen Umrichter mit in Reihe geschalteten Umrichterzellen. Die Umrichterzellen können hier bei einem Defekt mittels eines Bypass-Schalters kurzgeschlossen werden.
  • Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, eine Batteriezelle der gattungsgemäßen Art, eine Batterie, ein Verfahren zum Bereitstellen einer vorgebbaren elektrischen Spannung mittels einer Batterie und ein Kraftfahrzeug dahingehend weiterzubilden, dass die Batterie zur unmittelbaren Versorgung eines Energieversorgungsnetzes, insbesondere einer mit Wechselspannung zu beaufschlagenden elektrischen Maschine genutzt werden kann, wobei der Aufwand gegenüber dem Stand der Technik reduziert ist.
  • Als Lösung werden mit der Erfindung eine Batteriezelle, ein Batteriemodul, eine Batterie, ein Verfahren zum Bereitstellen einer vorgebbaren elektrischen Spannung mittels einer Batterie sowie ein Kraftfahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgeschlagen.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich anhand von Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
  • Bezüglich einer gattungsgemäßen Batteriezelle wird gemäß einem ersten Aspekt insbesondere vorgeschlagen, dass diese einen mit dem zweiten Potentialanschluss der galvanischen Zelle elektrisch gekoppelten dritten Zellenanschluss, ein zweites Halbleiterschaltelement und einen vierten Zellenanschluss aufweist, der über das zweite Halbleiterschaltelement mit dem ersten Potentialanschluss der galvanischen Zelle elektrisch gekoppelt ist.
  • Bezüglich einer gattungsgemäßen Batterie wird gemäß dem ersten Aspekt mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass die Batteriezellen gemäß der Erfindung ausgebildet sind, wobei zur Realisierung der Reihenschaltung jeweils ein erster Zellenanschluss einer jeweiligen ersten der Batteriezellen mit einem zweiten Zellenanschluss einer jeweiligen zweiten der Batteriezellen und jeweils ein dritter Zellenanschluss der jeweiligen ersten der Batteriezellen mit einem vierten Zellenanschluss der jeweiligen zweiten der Batteriezellen elektrisch verbunden ist, und die Steuereinheit zumindest an erste und zweite Halbleiterschaltelemente der jeweiligen Batteriezellen angeschlossen ist, um die Halbleiterschaltelemente abhängig von einer vorgebbaren elektrischen Spannung an den jeweiligen Batterieanschlusspolen zu betreiben.
  • Bezüglich eines gattungsgemäßen Verfahrens wird gemäß dem ersten Aspekt mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass jede Batteriezelle der Reihenschaltung einen mit einem zweiten Potentialanschluss der galvanischen Zelle elektrisch gekoppelten dritten Zellenanschluss, ein zweites Halbleiterschaltelement und einen vierten Zellenanschluss umfasst, der über das zweite Halbleiterschaltelement mit dem ersten Potentialanschluss der galvanischen Zelle elektrisch gekoppelt ist, wobei zur Realisierung der Reihenschaltung jeweils ein erster Zellenanschluss einer jeweiligen ersten der Batteriezellen mit einem zweiten Zellenanschluss einer jeweiligen zweiten der Batteriezellen und jeweils ein dritter Zellenanschluss der jeweiligen ersten der Batteriezellen mit einem vierten Zellenanschluss der jeweiligen zweiten der Batteriezellen elektrisch verbunden ist, wobei die Halbleiterschaltelemente der Batteriezellen abhängig von einer für die Reihenschaltung vorgegebenen elektrischen Spannung aktiviert werden, um die vorgegebene elektrische Spannung an Enden der Reihenschaltung bereitzustellen.
  • Bezüglich einer gattungsgemäßen Batteriezelle wird gemäß einem zweiten Aspekt insbesondere vorgeschlagen, dass diese einen dritten und einen vierten Zellenanschluss sowie wenigstens vier Halbleiterschaltelemente aufweist, mittels denen die Elektrodenanschlüsse abhängig von einem jeweiligen Schaltzustand der Halbleiterschaltelemente jeweils mit dem dritten oder dem vierten Zellenanschluss elektrisch koppelbar sind.
  • Bezüglich eines gattungsgemäßen Batteriemoduls wird gemäß dem zweiten Aspekt insbesondere vorgeschlagen, dass das Batteriemodul wenigstens eine Batteriezelle gemäß der Erfindung sowie vier Modulanschlüsse zum elektrischen Koppeln von Modulanschlüssen weiterer Batteriemodule und/oder von Batterieanschlusspolen einer das Batteriemodul umfassenden Batterie aufweist.
  • Bezüglich einer gattungsgemäßen Batterie wird gemäß dem zweiten Aspekt insbesondere vorgeschlagen, dass die Batteriemodule zumindest teilweise gemäß der Erfindung ausgebildet sind.
  • Bezüglich eines gattungsgemäßen Verfahrens wird gemäß dem zweiten Aspekt insbesondere vorgeschlagen, dass die Batteriemodule jeweils vier Modulanschlüsse aufweisen, und zwar jeweils einen ersten, einen zweiten, einen dritten und einen vierten Modulanschluss, wobei zumindest ein Teil der Batteriemodule wenigstens eine Batteriezelle mit einer Schaltungsstruktur aufweisen, bei der eine galvanische Zelle einen ersten und einen zweiten Elektrodenanschluss aufweist, wobei der erste Elektrodenanschluss an einen ersten Zellenanschluss und der zweite Elektrodenanschluss an einen zweiten Zellenanschluss angeschlossen ist und wobei die Batteriezelle einen dritten und einen vierten Zellenanschluss sowie wenigstens vier Halbleiterschaltelemente aufweist, mittels denen die Elektrodenanschlüsse abhängig von einem jeweiligen Schaltzustand der Halbleiterschaltelemente jeweils mit dem dritten oder dem vierten der Zellenanschluss elektrisch koppelbar sind, wobei die Halbleiterschaltelemente der Batteriezellen abhängig von der für die Batterie vorgegebenen elektrischen Spannung aktiviert werden, um die vorgegebene elektrische Spannung an den Batterieanschlusspolen bereitzustellen.
  • Bezüglich eines gattungsgemäßen Kraftfahrzeugs wird insbesondere vorgeschlagen, dass die Batterie gemäß der Erfindung ausgebildet ist und die elektrische Maschine unmittelbar an die Batterie angeschlossen ist.
  • Die Erfindung basiert unter anderem auf dem Gedanken, dass durch eine spezielle Struktur der Schaltung einer jeweiligen der Batteriezelle mit geringem Aufwand ein modularer Aufbau der Batterie erreicht werden kann, sodass die Batterie durch geeignetes Steuern durch die Steuereinheit in der Lage ist, eine nahezu beliebige elektrische Spannung an den Batterieanschlusspolen beziehungsweise an den Enden der jeweiligen Reihenschaltung bereitstellen zu können. Je nach Bedarf kann die Einstellung der elektrischen Spannung zeitlich variiert werden, sodass zum Beispiel auch vorgebbare Wechselspannungen bereitgestellt werden können. Dadurch ist es möglich, mit der Batterie der Erfindung nach Art eines Mehrpegelenergiewandlers eine Wechselspannung bereitzustellen. Die Schaltungsstruktur erlaubt es, mittels der Batterie eine elektrische Spannung in hochflexibler Weise, insbesondere dynamisch bereitzustellen. Dabei können die Batteriezellen der Batterie zumindest teilweise wie Wandlermodule eines Mehrpegelenergiewandlers eingesetzt werden. Für die Bereitstellung einer vorgegebenen elektrischen Spannung brauchen jedoch nicht alle Batteriezellen genutzt zu werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass lediglich einige der Batteriezellen der Batterie in Reihe geschaltet sind, um die vorgegebene elektrische Spannung bereitzustellen. Einige der Batteriezellen können auch als Reserve oder zum Bereitstellen einer weiteren vorgebbaren elektrischen Spannung genutzt werden. Es können zum Beispiel auch ungenutzte Batteriezellen zu bereits aktiven Batteriezellen parallelgeschaltet werden, um eine Strombelastbarkeit zu verbessern oder dergleichen. Die Batteriezelle kann auch durch eine vergleichbare Energiequelle gebildet sein, die elektrische Energie aufnehmen und/oder abgeben kann.
    Die Erfindung ist jedoch nicht nur auf die Bereitstellung von Wechselspannungen begrenzt. Es kann auch vorgesehen sein, dass eine Gleichspannung, eine pulsierende Gleichspannung oder dergleichen bereitgestellt werden kann, je nach vorgegebener elektrischer Spannung. Es können auch mehrere vorgegebene elektrische Spannungen bereitgestellt werden, beispielsweise drei hinsichtlich ihrer Phasenlage versetzte Wechselspannungen, um eine dreiphasige Wechselspannung bereitstellen zu können. Die Erfindung eignet sich deshalb zum Beispiel auch für die Bereitstellung eines Energieversorgungsnetzes, welches eine Wechselspannung nutzt. Darüber hinaus kann die Erfindung natürlich auch dazu genutzt werden, eine oder mehrere einstellbare Gleichspannungen bereitzustellen, beispielsweise wenn die elektrische Maschine des Kraftfahrzeugs eine Gleichspannungsmaschine ist, deren Leistung abhängig von der jeweils aktuell eingestellten elektrischen Gleichspannung eingestellt werden kann.
  • Dabei basiert die Erfindung auf einer neuen Schaltungsstruktur der jeweiligen der Batteriezellen, bei der - im Unterschied zum Stand der Technik - eine jeweilige der Batteriezellen vier Zellenanschlüsse aufweist. Durch die spezifische Schaltungsstruktur einer jeweiligen der Batteriezellen ist es nämlich möglich, bei einer erfindungsgemäßen Reihenschaltung der Batteriezellen die jeweilige Batteriezelle nicht nur zu aktivieren beziehungsweise zu deaktivieren, sondern auch noch die Polarität ihrer galvanischen Zelle bedarfsgerecht einstellen zu können. So ist es zum Beispiel möglich, in der Reihenschaltung aus Batteriezellen nicht nur einzelne Zellen zu überbrücken, um zum Beispiel einen kleineren aktuellen Spannungswert als den, den die Summenspannung aller in Reihe geschalteten Batteriezellen bereitstellen zu können, zu realisieren, sondern es können darüber hinaus auch Polaritäten von galvanischen Zellen invertiert werden, um zum Beispiel die bereitgestellte elektrische Spannung zu reduzieren oder sogar negative elektrische Spannungen an den Batterieanschlusspolen bereitstellen zu können. Obwohl jede Batteriezelle lediglich zwei Halbleiterschaltelemente aufweist, ist diese Funktion möglich.
  • Dadurch, dass die Erfindung diese Funktionalität lediglich mit zwei Halbleiterschaltelementen für eine jeweilige der Batteriezellen bereitzustellen vermag, können natürlich auch Verluste, die im bestimmungsgemäßen Betrieb auftreten können, entsprechend reduziert werden. Dadurch eignet sich die Erfindung besonders zur Integration in einer Batterie. Darüber hinaus ist zu bedenken, dass die Schaltelemente einer jeweiligen der Batteriezellen lediglich für die in der Regel geringe Gleichspannung der jeweiligen galvanischen Zelle ausgelegt zu sein brauchen und nicht mehr für die hohen Spannungswerte am Ausgang der Batterie beziehungsweise der Gesamtbatterie, etwa 400V bis etwa 800V. Dadurch können nicht nur kostengünstige Schaltelemente zum Einsatz kommen, sondern es ist darüber hinaus möglich, Schaltelemente einzusetzen, die besonders geringe Durchlassverluste haben. Dadurch kann eine ergänzende Reduzierung von Verluste im bestimmungsgemäßen Betrieb erreicht werden.
  • Durch die spezielle Schaltungsstruktur der galvanischen Zellen, die - im Gegensatz zum Stand der Technik - vier Zellenanschlüsse aufweist, ist es somit möglich, mit lediglich zwei Halbleiterschaltelementen die gewünschte Funktionalität der Batteriezellen zu realisieren. So ermöglicht es das erste Halbleiterschaltelement, die galvanische Zelle zwischen dem ersten und dem zweiten Zellenanschluss zu aktivieren, sodass eine entsprechende Gleichspannung an dem ersten und dem zweiten Zellenanschluss bereitgestellt werden kann. Ist das Halbleiterschaltelement dagegen im ausgeschalteten Schaltzustand, wird durch die Batteriezelle zwischen dem ersten und dem zweiten Zellenanschluss keine Gleichspannung bereitgestellt. In diesem Betriebszustand kann durch den eingeschalteten Schaltzustand des zweiten Halbleiterschaltelements ein Überbrücken der Batteriezelle realisiert werden. Die weitere Funktionalität hinsichtlich der Umpolung der galvanischen Zelle kann in Zusammenwirkung mit den weiteren Batteriezellen in der Reihenschaltung erreicht werden, und zwar den Batteriezellen, die unmittelbar an die jeweilige Batteriezelle angeschlossen sind. Die galvanische Zelle kann zum Beispiel zwischen dem ersten und dem dritten Zellenanschluss angeschlossen sein. Darüber hinaus ist es auch möglich, die galvanische Zelle zwischen dem zweiten und dem vierten Zellenanschluss angeschlossen sein. Die Halbleiterschaltelemente sind dann entsprechend vorzusehen.
  • Zum Verbinden der Batteriezellen in der Reihenschaltung kann es deshalb insbesondere vorgesehen sein, dass bei zwei miteinander elektrisch zu verbindenden Batteriezellen der erste Zellenanschluss der ersten Batteriezelle mit dem zweiten Zellenanschluss der zweiten Batteriezelle und der dritte Zellenanschluss der ersten Batteriezelle mit dem vierten Zellenanschluss der zweiten Batteriezelle elektrisch verbunden ist. Diese Verbindung gilt auch für die übrigen Batteriezellen, die in der Reihenschaltung miteinander zu verbinden sind. Durch die hierdurch bereitgestellte Struktur einer Reihenschaltung und die aufgrund der Schaltungsstruktur realisierbare Funktionalität durch Betätigen der Halbleiterschaltelemente kann somit die galvanische Zelle einer jeweiligen der Batteriezellen nicht nur aktiviert oder deaktiviert werden, sondern sie kann auch hinsichtlich der Polarität invertiert werden, und zwar in Bezug auf eine Bereitstellung der jeweiligen Gleichspannung. Das erste Halbleiterschaltelement stellt somit in Verbindung mit dem ersten und dem zweiten Zellenanschluss sowie der galvanischen Zelle die Funktionalität bereit, die im Stand der Technik bekannt ist. Durch das zweite Halbleiterschaltelement in Verbindung mit dem dritten und dem vierten Zellenanschluss wird somit die zusätzliche erfindungsgemäße Funktionalität realisiert.
  • Die Erfindung ermöglicht es daher, nicht nur aber besonders bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen, die als Antriebsvorrichtung vorgesehene elektrische Maschine mit einem großen Wirkungsgrad unmittelbar mit der Batterie koppeln zu können, um die gewünschte Energieversorgung im bestimmungsgemäßen Betrieb des Kraftfahrzeugs zu realisieren.
  • Wie bei einem Mehrpegelenergiewandler kann mit der erfindungsgemäßen Batterie somit eine stufenförmige elektrische Spannung bereitgestellt werden, die in ihrer Form zum Beispiel einer Sinuskurve nahekommen kann. Im Unterschied zu herkömmlichen Zweipunkt- beziehungsweise Dreipunktwechselrichtern, bei denen jeweils nur zwei beziehungsweise drei unterschiedliche elektrische Potentiale verfügbar sind, kann bei der Erfindung mittels der Vielzahl der galvanischen Zellen eine erheblich größere Anzahl an unterschiedlichen Potentialpegeln beziehungsweise Spannungspegeln realisiert werden. Die Anzahl der Spannungspegel beziehungsweise die entsprechende Spannung, die sich aus der Kombination der Spannungspegel ergibt, sind dabei natürlich abhängig davon, wie viele Batteriezellen in der Reihenschaltung verfügbar sind und welche elektrische Spannung die jeweiligen galvanischen Zellen bereitstellen. In der Regel sind die galvanischen Zellen gleich ausgebildet, sodass sie im Wesentlichen die gleiche elektrische Spannung bereitstellen. Dadurch kann eine deutlich genauere Nachbildung einer gewünschten Spannungskurve, insbesondere wenn sie zeitlich veränderlich ist, beispielsweise bei einer Sinuskurve, realisiert werden. Auf diese Weise erzeugte elektrische Spannungen, insbesondere Wechselspannungen, weisen im Vergleich zu mit gewöhnlichen Wechselrichtern erzeugten Wechselspannungen deutlich geringere Verzerrungswerte auf und verfügen darüber hinaus vorzugsweise über eine größere Zuverlässigkeit. Dies wirkt sich insbesondere bei der elektromagnetischen Verträglichkeit, insbesondere in Bezug auf Funkstörungen wie leitungsgebundene Funkstörungen oder dergleichen, aus.
  • Die Erfindung nutzt somit eine innovative Smart-Cell-Topologie, die für die Funktionalität eines Mehrpegelenergiewandlers optimiert sein kann. Dadurch kann bei minimalen Verlusten der vorgesehenen Halbleiterschaltelemente sowohl eine positive als auch eine negative elektrische Spannung bereitgestellt werden.
  • Zur Erzeugung einer negativen elektrischen Spannung können die zwischen den einzelnen galvanischen Zellen der Batteriezelle befindlichen Halbleiterschaltelemente eingeschaltet werden, wobei für die Darstellung einer positiven elektrischen Spannung die jeweils komplementären Halbleiterschaltelemente eingeschaltet werden. Je nach gewünschtem Spannungswert der bereitzustellenden elektrischen Spannung können auch einige, insbesondere aufeinanderfolgende, Batteriezellen mithilfe der zusätzlichen Halbleiterschaltelemente überbrückt werden, sodass die Funktionalität des Mehrpegelenergiewandlers realisiert werden kann.
  • Durch die reduzierte Anzahl der Halbleiterschaltelemente gegenüber dem Stand der Technik, insbesondere in Bezug auf eine Schaltungsstruktur von Wandlermodulen gemäß CHB, kann die Anzahl der sich in einem Lastpfad befindlichen Halbleiterschaltelemente reduziert werden, näherungsweise um die Hälfte. Unabhängig von der Polarität und der Größe der durch die Batterie bereitzustellenden elektrischen Spannung befindet sich je Batteriezelle immer nur ein einzelnes der Halbleiterschaltelemente im stromführenden Pfad beziehungsweise im eingeschalteten Schaltzustand.
  • Aufgrund der erfindungsgemäßen Batteriezelle gemäß den beiden Aspekten ist eine hochflexible Schaltungsstruktur beziehungsweise Schaltungstopologie auch für die Batterie erreichbar, die es erlaubt, bedarfsweise durch Aktivieren beziehungsweise Deaktivieren von Batteriezellen eine einfache Anpassungsmöglichkeit an spezifische Anwendungen zu ermöglichen. So ist es möglich, die Batterie durch Hinzufügen von Batteriezellen für die Bereitstellung einer größeren maximalen elektrischen Spannung auszubilden oder umgekehrt durch Entfernen von Batteriezellen die Bereitstellung von geringeren elektrischen Spannungen zu gewährleisten, abhängig von der geforderten Ausgangsspannung. Auch ist es möglich weitere Reihenschaltungen parallelzuschalten, um zum Beispiel eine mehrphasige Wechselspannung bereitstellen zu können. Die Anzahl der bereitzustellenden Phasen der Wechselspannung kann abhängig von einer jeweiligen spezifischen Anwendung erfolgen.
  • Mit der Batterie der Erfindung ist es möglich, elektrische Spannungen, insbesondere zeitlich veränderliche elektrische Spannungen, von nahezu beliebiger Kurvenform bereitstellen zu können, beispielsweise einer Sinuskurvenform, einer Dreieckkurvenform, einer Sägezahnkurvenform und/oder dergleichen. Darüber hinaus ist es bei einer mehrphasigen Wechselspannung möglich, Phasenverschiebungen einzelner Phasenspannungen zueinander ebenso wie Spannungsamplituden der Phasenspannungen individuell und hochflexibel einstellen zu können.
  • Darüber hinaus kann je nach vorgegebener elektrischer Spannung abhängig von einer spezifischen Anwendung vorgesehen sein, dass die bereitzustellende elektrische Spannung auch einen DC-Versatz aufweisen kann. Dazu brauchen die Halbleiterschaltelemente lediglich derart angesteuert zu werden, dass sich die Anzahl an resultierenden positiven und negativen Spannungspegeln unterscheidet.
  • Die erfindungsgemäße Schaltungstopologie beziehungsweise Schaltungsstruktur erlaubt es, neben der einfachen Erweiterung auch innerhalb eines einzelnen Phasenstrangs beziehungsweise einer einzelnen Reihenschaltung lediglich einen Bruchteil an Batteriezellen zu ergänzen, beispielsweise um eine weitere Teilreihenschaltung oder dergleichen. Hierbei brauchen die zusätzlichen Batteriezellen nicht den Batteriezellen der Reihenschaltung entsprechen, sondern können unabhängig hiervon trotzdem von der Batterie umfasst sein.
  • Mehrere Reihenschaltungen können natürlich auch parallelgeschaltet sein. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn nicht nur eine Phase durch eine Reihenschaltung realisiert ist, sondern beispielsweise - abhängig von einer elektrischen Strombelastung oder erforderlichen elektrischen Kapazität - auch mehrere Reihenschaltungen einer jeweiligen Phase zugeordnet werden können.
  • Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn eine jeweilige Batteriezelle zur Bereitstellung der vorgegebenen elektrischen Spannung nicht benötigt wird oder defekt ist und auf einfache Weise insgesamt deaktiviert werden kann, indem sie mittels der vorhandenen Halbleiterschaltelemente überbrückt werden kann. Dies kann unabhängig vom Aktivierungs- oder Deaktivierungszustand der Vor- und Nachfolgerzellen erfolgen.
    Auch können eine beliebige Anzahl an Zellen überbrückt werden, ebenso unabhängig vom Aktivierungs- oder Deaktivierungszustand der Vor- und Nachfolgerzellen. Ein Vorteil der Erfindung liegt aber vor allem in der Möglichkeit, die eigentlich nicht benötigten, zu überbrückenden Batteriezellen im Betrieb parallel schalten zu können.
  • Das Schaltelement kann durch ein oder mehrere Halbleiterschaltelemente gebildet sein. Darüber hinaus kann das Schaltelement auch ein elektromechanisches Schaltelement umfassen, beispielsweise ein Relais, ein Schütz und/oder dergleichen. Dem Grunde nach kann das Halbleiterschaltelement auch durch ein elektromechanisches Schaltelement oder jedes beliebige andere geeignete Schaltelement gebildet sein.
  • Das Schaltelement, insbesondere das Halbleiterschaltelement kann durch einen Transistor, insbesondere einen Feldeffekttransistor, vorzugsweise einen Metalloxide Field Effect-Transistor (MOSFET), einen Insulated-Gate Bipolar Transistor (IGBT), aber auch durch Gate-Turn-Off-Thyristor (GTO) und/oder dergleichen oder jeglicher anderer Art von Schaltelementen gebildet sein. Diese Schaltelemente sind vorzugsweise in die jeweiligen Batteriezellen integriert angeordnet.
  • Die Steuereinheit ist zumindest an die Schaltelemente, insbesondere die Halbleiterschaltelemente der Batteriezellen angeschlossen. Zu diesem Zweck kann die Batteriezelle eine jeweilige Kommunikationsschnittstelle aufweisen, über die sie mit der Steuereinheit in Kommunikationsverbindung steht. Die Kommunikationsschnittstellen können beispielsweise leitungsgebunden und/oder auch drahtlos ausgebildet sein. Eine drahtlos ausgebildete Kommunikationsverbindung kann zum Beispiel auf Funk, insbesondere Nahfunk, basieren. Vorzugsweise weist jede der Batteriezellen eine eigene Kommunikationsschnittstelle auf, mittels der sie mit der Steuereinheit in Kommunikationsverbindung steht. Insbesondere kann die batteriezellenseitige Kommunikationsschnittstelle an einem jeweils integrierten Teil einer Batteriezellensteuerung angeschlossen sein, die ihrerseits zumindest an die Halbleiterschaltelemente angeschlossen ist, um diese in vorgebbarer Weise hinsichtlich ihres Schaltzustands zu steuern. Dadurch kann mittels der Steuereinheit eine Aktivierung beziehungsweise eine Deaktivierung der jeweiligen Batteriezelle sowie auch eine Polung ihrer jeweiligen galvanischen Zelle gesteuert werden.
  • Die Steuereinheit selbst kann als separate Baueinheit vorgesehen sein. Vorzugsweise ist sie jedoch Bestandteil der Batterie und besonders bevorzugt in diese integriert angeordnet.
  • Insbesondere bezüglich des zweiten Aspekts kann in einer alternativen Ausgestaltung natürlich auch vorgesehen sein, das die galvanische Zelle nicht am ersten und am zweiten Zellenanschluss sondern stattdessen am dritten und am vierten Zellenanschluss angeschlossen ist, ohne dass sich die Vorteile und Wirkungen ändern, wie der Fachmann leicht erkennt.
  • Insbesondere bezüglich des zweiten Aspekts kann das erste der beiden Schaltelemente beziehungsweise Halbleiterschaltelemente als Überbrückungsschaltelemente zwischen dem Minuspol der einen Batteriezelle und dem Pluspol der darauffolgenden Batteriezelle angeordnet sein. Das zweite Schaltelement beziehungsweise Halbleiterschaltelement kann sich komplementär dazu zwischen dem Pluspol der einen und dem Minuspol der darauffolgenden Zelle befinden.
  • Diese zusätzlichen Überbrückungsschaltelemente ermöglichen das Überbrücken einer einzelnen Batteriezelle, beispielsweise im Fehler- oder Defektfall, unabhängig davon, ob gerade eine positive oder eine negative Ausgangsspannung bereitgestellt werden soll. Folglich wird zum Beispiel die Möglichkeit einer seriellen Verschaltung von Batteriezellen lediglich ungerader beziehungsweise gerader Zahl und damit ein Wegschalten der dazwischenliegenden Batteriezelle geschaffen. Insgesamt ist eine beliebige serielle Kombination gewünschter Batteriezellen realisierbar.
  • Ein Vorteil der vorgeschlagenen Topologie mit Überbrückungsschaltelementen gemäß dem zweiten Aspekt besteht insbesondere darin, dass bei gewünschtem oder erforderlichem Bypassen einer einzelnen Batteriezelle nicht zwei aufeinanderfolgende Batteriezellen aus dem Gesamtsystem weggeschaltet werden müssen, sondern lediglich die jeweilige Batteriezelle selbst aus der Spannungsbildung herausgenommen werden kann.
  • Die vorgeschlagene Topologie insbesondere gemäß dem zweiten Aspekt zeichnet sich trotz der zusätzlichen Schalterelemente vor allem auch dadurch aus, dass sie die Generierung von positiven als auch negativen Ausgangsspannungen erlaubt. So sind keine zusätzlichen Bauelemente für eine Kommutierung der Spannung notwendig.
  • Die zusätzlichen Überbrückungsschaltelemente begünstigen die Spannungserzeugung dahingehend vielmehr, da sie die Auswahl spezifischer Batteriezellen zur Gesamtausgangsspannung deutlich flexibler machen.
  • Mit den zusätzlichen Überbrückungsschaltelementen ist beispielsweise ebenso eine erhöhte Anzahl an Schaltkombinationen möglich. Beispielsweise ist bei der vorgeschlagenen Topologie eine Schaltkombination zur Realisierung der Kaskadierung zweier geradzahliger oder ungeradzahliger Batteriezellen möglich. Dadurch lassen sich auch Modulationsverfahren wie die Charge Balance Control Methode anwenden.
  • Ein weiterer Vorteil insbesondere gemäß dem zweiten Aspekt, der mit der vorgeschlagenen Topologie einhergeht, ist die Fähigkeit, nicht nur eine beliebige Anzahl an Batteriezellen miteinander seriell zu verschalten - je nach gefordertem Spannungshub oder dergleichen - sondern ebenso Batteriezellen in paralleler Weise zu verbinden. Hierbei können nahezu beliebige Konfigurationen realisiert werden. Neben einer reinen Parallelschaltung aller Batteriezellen eines einzelnen Strangs sind auch Varianten umsetzbar, bei denen lediglich eine definierte Anzahl an Batteriezellen parallel miteinander kombiniert werden können und dieser Verbund in Serie zu anderen Batteriezellen desselben Phasenstrangs geschaltet werden kann. Damit sind alle möglichen Kombinationen von parallel und/ oder seriell geschalteten Batteriezellen, insbesondere eines Phasenstrangs, realisierbar, zum Beispiel Kaskadierung von xsyp-Modulen, wobei s für seriell und p für parallel steht und x und y die jeweilige Anzahl an Zellen bezeichnet.
  • Der damit einhergehende Vorteil dieses neuen Freiheitsgrades kann unter anderem in der geringeren Strombelastung der einzelnen Batteriezellen bestehen. Werden für gewisse Zeitpunkte Spannungsquellen nicht für die Ausgangsspannungsbildung benötigt, lassen sich diese parallel zu aktiv zur Ausgangsspannungswertes beitragenden Spannungsquellen schalten, wodurch sich der Strangstrom auf die Zellen des Parallelverbundes gleichmäßig aufteilen kann. Dadurch kann sich die Strombelastung der einzelnen Batteriezellen reduzieren. In der Folge können sich auch minimierte Verluste, beispielsweise Leit-, und/oder Schaltverluste, ergeben. Durch die Parallelisierbarkeit der einzelnen Batteriezellen kann desweiteren der Innenwiderstand dieser abhängig von der Anzahl von parallelgeschalteten Batteriezellen auf einen Bruchteil reduziert werden.
  • Die vorgeschlagene Topologie insbesondere gemäß des zweiten Aspekts kann auch die Eigenschaft bereitstellen, dass jeder Pol einer vorhergehenden Batteriezelle mit beiden Polen der nachfolgenden Batteriezelle verbunden ist. Dies ermöglicht, dass die Funktionalität der Gesamtschaltung erhalten bleibt, egal, mit welcher Polarität die Batteriezellen eingebaut werden. Wenn die Einbaurichtung beispielsweise durch eine Spannungsmessung ermittelt wird, kann die Ansteuerung der Gesamtbatterie während des Betriebes adaptiv angepasst werden. Dies kann beispielsweise Vorteile in einem Konzept mit austauschbaren Zellen bieten. Die Montage der Batteriezellen kann somit verpolungssicher sein.
  • Die vorgeschlagene Topologie insbesondere gemäß des zweiten Aspekts kann um eine beliebige Anzahl an Batteriezellen n sowie parallel dazu geschalteten Phasensträngen m erweitert werden. Es ergibt sich damit ein System aus nxm Batteriezellen, wobei sich n Batteriezellen innerhalb eines Phasenstranges von m parallelen Strängen befinden können, welche zum Beispiel eine m-phasige Ausgangsspannung erzeugen.
  • Vorzugsweise weist jede der Batteriezellen ein eigenes Zellengehäuse auf, in welchem das erste und das zweite Halbleiterschaltelement angeordnet sind und welches für jeden der Zellenanschlüsse wenigstens einen Anschlusskontakt aufweist, wobei die Anschlusskontakte elektrisch isoliert voneinander angeordnet sind. Dadurch kann auf einfache Weise ein modularer Aufbau der Batterie erreicht werden, der es erlaubt, die Batterie auf einfache Weise für spezifische Anwendungen anpassen zu können. Darüber hinaus kann mittels des Zellengehäuses eine einzeln handhabbare Baueinheit geschaffen werden, die nicht nur die Herstellung der Batterie erleichtert, sondern darüber hinaus auch ermöglicht, die Grundfunktion einer jeweiligen Batteriezelle vor einer Herstellung der Batterie zu prüfen. Dadurch kann die Herstellung der Batterie zuverlässiger erfolgen. Das Zellengehäuse kann auch wenigstens eine Kommunikationsschnittstelle bereitstellen, die es erlaubt, die Halbleiterschaltelemente im bestimmungsgemäßen Schaltbetrieb zu betreiben, um die vorgebbare elektrische Spannung bereitstellen zu können. Das Zellengehäuse kann wenigstens eine Leiterplatte aufweisen, auf der zumindest die Halbleiterschaltelemente angeordnet sind.
  • Das Zellengehäuse kann einen Aufnahmerahmen, einen Aufnahmebecher und/oder dergleichen aus einem geeigneten Werkstoff umfassen, in dem beziehungsweise an dem zumindest einige der entsprechenden Elemente und/oder Einheiten der Batteriezelle angeordnet sind. Der Werkstoff kann beispielsweise Kunststoff und/oder Metall aufweisen.
  • Vorzugsweise ist auch die galvanische Zelle im beziehungsweise am Zellengehäuse angeordnet. Vorzugsweise kann das Zellengehäuse die galvanische Zelle zumindest teilweise aufnehmen beziehungsweise umfassen. Das Zellengehäuse kann beispielsweise einen oder mehrere Anschlusskontakte zum elektrischen Kontaktieren der Potentialanschlüsse der galvanischen Zelle aufweisen. Der wenigstens eine Anschlusskontakt kann zum Beispiel durch die vorgenannte Leiterplatte bereitgestellt sein. Der wenigstens eine Anschlusskontakt ist vorzugsweise entsprechend des wenigstens einen Potentialanschlusses der galvanische Zelle ausgebildet, um mit diesem eine zuverlässige und dauerhafte elektrische Verbindung im bestimmungsgemäßen Betrieb zu erreichen. Die galvanische Zelle kann ferner integriert mit zumindest einigen der weiteren Elemente und/oder Einheiten im beziehungsweise am Zellengehäuse angeordnet sein.
  • Zur Verbindung der galvanische Zelle mit dem Zellengehäuse können mechanische und/oder elektrische Verbindungsmittel vorgesehen sein, wie zum Beispiel eine oder mehrere Schraubverbindungen, eine oder mehrere Clips- und/oder Steckverbindungen, eine oder mehrere Kleb-, Löt-, und/oder Schweißverbindungen, Kombinationen hiervon oder dergleichen. Vorzugsweise kann mit dem Verbindungsmittel sowohl eine mechanische Verbindung als auch eine elektrische Verbindung erreicht werden. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die galvanische Zelle im mit dem Zellengehäuse verbundenen beziehungsweise am Zellengehäuse angeordneten Zustand mit wenigstens einem ihrer Potentialanschlüsse gegen einen entsprechenden Anschlusskontakt gedrückt wird, beispielsweise aufgrund einer Federkraft oder dergleichen. Darüber hinaus ermöglicht es diese Ausgestaltung, dass die galvanischen Zellen separat von den Batteriezellen hergestellt werden können. Dies ermöglicht es, dass die galvanischen Zellen an unterschiedlichen Fertigungsstandorten, insbesondere auch durch unterschiedliche Hersteller, hergestellt werden können. Diese können dann in einem separaten Fertigungsschritt im oder am Zellengehäuse angeordnet werden.
  • Es kann ferner vorgesehen sein, dass die galvanische Zelle lösbar am beziehungsweise im Zellengehäuse angeordnet ist. Dadurch ist es möglich, die galvanische Zelle von den weiteren Elementen und/oder Einheiten der Batteriezelle sowohl räumlich als auch elektrisch zu trennen. Das ermöglicht es zum Beispiel, die galvanische Zelle bei Bedarf auszutauschen. Die lösbare Verbindung kann zum Beispiel durch eine oder mehrere Schraubverbindungen, eine oder mehrere Clips- und/oder Steckverbindungen und/oder dergleichen gebildet sein.
  • Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass zumindest das erste und das zweite Halbleiterschaltelement in einem Gehäuse angeordnet sind, wobei das Gehäuse für jeden der Zellenanschlüsse wenigstens einen Anschlusskontakt aufweist, wobei die Anschlusskontakte elektrisch isoliert voneinander angeordnet sind und das Gehäuse weitere Anschlüsse zum Anschließen der galvanischen Zelle aufweist. Bei dieser Ausgestaltung braucht die galvanische Zelle nicht vom Gehäuse umfasst zu sein. Sie kann beispielsweise extern angeordnet sein. Darüber hinaus kann die galvanische Zelle auch auswechselbar am oder im Gehäuse angeordnet sein. Insbesondere kann die galvanische Zelle lösbar angeordnet sein. Vorzugsweise entspricht die Anzahl der Anschlüsse der Anzahl der Potentialanschlüsse der galvanischen Zelle.
  • Insbesondere in Bezug auf den zweiten Aspekt kann die Batteriezelle eine Schaltungsstruktur aufweisen, bei der ein erstes Halbleiterschaltelement zwischen dem ersten und dem dritten Zellenanschluss, ein zweites Halbleiterschaltelement zwischen dem zweiten und dem vierten Zellenanschluss, ein drittes Halbleiterschaltelement zwischen dem ersten und dem vierten Zellenanschluss und ein viertes Halbleiterschaltelement zwischen dem zweiten und dem dritten Zellenanschluss angeschlossen ist. Bezüglich der Vorteile und Wirkungen wird auf die obigen Ausführungen insbesondere in Bezug auf den ersten Aspekt verwiesen.
  • Auch die Batteriemodule können vorzugsweise vier Modulanschlüsse aufweisen. Dadurch können die Batteriemodule auf einfache Weise aus den erfindungsgemäßen Batteriezellen gebildet sein. Dabei können die Batteriezellen insbesondere in Bezug auf den zweiten Aspekt vorzugsweise zumindest teilweise in Reihenschaltung miteinander elektrisch gekoppelt sein.
  • Grundsätzlich können die Batteriemodule einer erfindungsgemäßen Batterie zumindest teilweise parallelgeschaltet oder auch in Reihe geschaltet sein. Auch kann zumindest teilweise eine Kombination hiervon vorgesehen sein.
  • Die Steuereinheit steuert die Halbleiterschaltelemente vorzugsweise derart, dass an den Batterieanschlusspolen die gewünschte elektrische Spannung bereitgestellt wird. Sind für die Bereitstellung der vorgegebenen elektrischen Spannung nicht sämtliche Batteriezellen der Reihenschaltung erforderlich, kann mittels der Steuereinheit vorgesehen werden, dass bedarfsweise unterschiedliche der in der Reihenschaltung angeordneten Batteriezellen deaktiviert werden, um eine möglichst gleichmäßige Beanspruchung, beispielsweise bezüglich unterschiedlicher Aspekte wie SoC, Temperatur, SoH und/oder dergleichen der Batteriezellen insgesamt im Mittel erreichen zu können. Dadurch kann ein Balancing in Bezug auf die Batteriezellen hinsichtlich ihres Ladungszustandswert (englisch: state-of-charge, SOC), aber auch Parametern wie der Temperatur, Gesundheitszustand (englisch: state-of-health, SOH) und/oder dergleichen. der jeweiligen Reihenschaltung erreicht werden. Damit ist aber nicht ausgeschlossen, dass die Batteriezellen unterschiedliche, insbesondere chemische, Beschaffenheiten aufweisen. Mittels der vorliegenden Idee können unterschiedlichste Arten von Batteriezellen miteinander betrieben werden.
  • Bezüglich der erfindungsgemäßen Batterie wird insbesondere vorgeschlagen, dass zumindest eine Batteriezelle zu einer der in Reihe geschalteten Batteriezellen parallelgeschaltet ist, indem deren jeweiligen Zellenanschlüsse miteinander elektrisch verbunden sind. In Bezug auf das Parallelschalten zweier einzelner Batteriezellen bedeutet dies, dass die jeweiligen ersten, zweiten, dritten und vierten elektrischen Zellenanschlüsse miteinander verbunden sind. Sollen die Batteriezellen im Parallelbetrieb betrieben werden, kann darüber hinaus vorgesehen sein, dass deren jeweilige Halbleiterschaltelemente entsprechend gemeinsam im Schaltbetrieb betrieben werden.
  • Um eine jeweilige Reihenschaltung mit den jeweils zugeordneten der Batterieanschlusspole elektrisch verbinden zu können, kann vorgesehen sein, dass bei einer der jeweiligen endseitigen Batteriezellen deren zweiter und vierter Zellenanschluss das eine Ende der Reihenschaltung bilden, indem diese Zellenanschlüsse parallelgeschaltet an einen der zugeordneten Batterieanschlusspole angeschlossen sind. Bei der am gegenüberliegenden Ende der Reihenschaltung angeordneten Batteriezelle können der erste und der dritte Zellenanschluss an eine Schalteinheit angeschlossen sein, die zwei Halbleiterschaltelemente umfasst, bei denen ein jeweiliger erster ihrer Anschlüsse mit dem anderen der beiden der Reihenschaltung zugeordneten Batterieanschlusspole elektrisch verbunden ist, wobei deren jeweilige gegenüberliegende zweite Anschlüsse an die jeweiligen ersten und dritten Zellenanschlüsse dieser Batteriezelle angeschlossen sind. Dadurch kann die Reihenschaltung hinsichtlich ihrer Funktionalität in gewünschter Weise voll ausgenutzt werden.
  • Es wird ferner vorgeschlagen, dass zu einer vorgegebenen Anzahl von unmittelbar in Reihe geschalteten Batteriezellen der Reihenschaltung eine entsprechende Anzahl von in Reihe geschalteten weiteren Batteriezellen parallelgeschaltet ist, indem die Zellenanschlüsse von endseitig angeordneten weiteren Batteriezellen mit den entsprechenden endseitigen Zellenanschlüssen der Anzahl der in unmittelbar in Reihe geschalteten Batteriezellen miteinander elektrisch verbunden sind. Vorzugsweise ist bei der endseitigen Batteriezelle, bei der der zweite und der vierte Zellenanschluss das Ende der weiteren Parallelschaltung bilden, der zweite und der vierte Zellenanschluss parallelgeschaltet, wobei das zweite Halbleiterschaltelement dieser Batteriezelle im ausgeschalteten Schaltzustand verbleibt. Dadurch ist es möglich, insbesondere bei der Bereitstellung von kleineren elektrischen Spannungen als der maximal durch die Reihenschaltung bereitstellbaren elektrischen Spannung eine zusätzliche elektrische Kapazität auf einfache Weise zur Verfügung zu stellen, sodass eine kleinere elektrische Spannung stärker oder auch öfter elektrisch beansprucht werden kann. Die Flexibilität hinsichtlich der Batterie kann weiter vergrößert werden.
  • Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Batterie wenigstens zwei unabhängig voneinander betreibbare Reihenschaltungen aus den Batteriezellen und wenigstens einen weiteren Batterieanschlusspol aufweist, wobei wenigstens ein Ende der Reihenschaltung an einem jeweiligen der Batterieanschlusspole individuell angeschlossen ist, vorzugsweise über eine Schalteinheit, um die Halbleiterschaltelemente der Batteriezellen der jeweiligen Reihenschaltungen unabhängig von den Halbleiterschaltelementen der Batteriezellen der jeweiligen anderen Reihenschaltung, jedoch abhängig von einer für die jeweilige Reihenschaltung individuell vorgebbaren elektrischen Spannung zu betreiben. Dadurch ist es auf einfache Weise möglich, insbesondere in Bezug auf Wechselspannungen mehrere Phasen bereitstellen zu können. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass voneinander unabhängige Gleichspannungen bereitgestellt werden können oder auch Kombinationen hiervon. Wobei die jeweiligen Halbleiterelemente ihren Zustand geöffnet oder geschlossen über die Zeit hinweg konstant halten können.
  • Bezüglich des Verfahrens wird ferner vorgeschlagen, dass als vorgegebene elektrische Spannung eine Wechselspannung vorgegeben wird. Dadurch kann die Batterie zugleich auch als Wechselrichter genutzt werden, wodurch entsprechender Aufwand eingespart werden kann.
  • Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Halbleiterschaltelemente der Batteriezellen im bestimmungsgemäßen Betrieb zum Bereitstellen der vorgegebenen elektrischen Spannung derart betrieben werden, dass eine Beanspruchung der galvanischen Zellen der Batteriezellen gleichmäßig erfolgt. Die gleichmäßige Beanspruchung ist vorzugsweise im zeitlichen Mittel vorgesehen. Hierzu kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheit zur Bereitstellung der vorgegebenen elektrischen Spannung nicht erforderliche Batteriezellen beispielsweise zyklisch auswählt, sodass die Beanspruchung im zeitlichen Mittel vorzugsweise im Wesentlichen gleich für alle Batteriezellen hinsichtlich ihres SOC-Wertes, aber auch Parametern wie der Temperatur, SOH-Werten etc. der Reihenschaltung ist. Besonders vorteilhaft erweist sich dies bei Bereitstellung einer Wechselspannung, wobei zum Bereitstellen von kleinen Spannungswerten der Wechselspannung zyklisch unterschiedliche der Batteriezellen der Reihenschaltungen aktiviert werden können. Dadurch kann ein Balancing in Bezug auf die Batteriezellen der jeweiligen Reihenschaltung erreicht werden. Damit ist aber nicht ausgeschlossen, dass die Zellen unterschiedliche, insbesondere chemische Beschaffenheiten aufweisen. Mittels der vorliegenden Idee können unterschiedlichste Arten von Zellen miteinander betrieben werden.
  • Dem Grunde nach kann die erfindungsgemäße Verfahrensführung nicht nur zum Bereitstellen einer elektrischen Spannung und zum Bereitstellen von elektrischer Energie genutzt werden, sondern sie kann gleichermaßen dazu genutzt werden, die Batterie aufzuladen, indem ihr elektrische Energie zugeführt wird. Die Anwendung ist daher nicht darauf beschränkt, elektrische Energie durch die Batterie abzugeben, sondern sie kann gleichermaßen auch zur Energieaufnahme und zum Speichern der elektrischen Energie genutzt werden.
  • Die für die erfindungsgemäße Batteriezelle, die erfindungsgemäße Batterie, das erfindungsgemäße Batteriemodul, das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug und das erfindungsgemäße Verfahren angegebenen Vorteile und Wirkungen gelten gleichermaßen für alle Aspekte der Erfindung und umgekehrt. Insbesondere können daher Vorrichtungsmerkmale auch als Verfahrensmerkmale und umgekehrt formuliert sein.
  • Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
  • Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
  • Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
  • Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
    • 1 eine schematische Schaltbilddarstellung von zwei in Reihe geschalteten Wandlermodulen eines nicht weiter dargestellten Mehrpegelenergiewandlers in Halbbrückenschaltung,
    • 2 eine schematische Schaltbilddarstellung wie 1, wobei die Wandlermodule hier in Vollbrückenschaltung ausgestaltet sind,
    • 3 eine schematische Schaltbilddarstellung einer Batteriezelle gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung,
    • 4 eine schematische Schaltbilddarstellung einer Batterie gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung mit Batteriezellen gemäß 3, die zur Ausbildung von drei Phasen in drei Reihenschaltungen geschaltet sind, an die eine dreiphasige Asynchronmaschine angeschlossen ist,
    • 5 eine schematische Darstellung wie 4, bei der die erste Reihenschaltung eine parallelgeschaltete zweite Reihenschaltung aus Batteriezellen der Erfindung umfasst,
    • 6 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einem Bordnetz, an das eine elektrische Asynchronmaschine als Antriebseinrichtung sowie eine Batterie gemäß 4, an die die Asynchronmaschine angeschlossen ist,
    • 7 eine schematische Schaltbilddarstellung eines Batteriemoduls mit in Reihe geschalteten Batteriezellen gemäß einem zweiten Aspekt,
    • 8 bis 11 schematische Schaltbilddarstellungen wie 7, mit denen verschiedene Betriebszustände des Batteriemoduls gemäß 7 gezeigt werden,
    • 12 eine schematische Schaltbilddarstellung einer Batterie mit drei Batteriemodulen gemäß 7 zum Bereitstellen einer dreiphasigen Wechselspannung, wobei an die Batterie eine Asynchronmaschine unmittelbar angeschlossen ist.
    • 13 eine schematische Seitenansicht einer Batteriezelle gemäß 1 mit einem Zellengehäuse, in dem eine galvanische Zelle und eine Leiterplatte mit Halbleiterschaltelementen integriert angeordnet sind, und
    • 14 eine schematische Seitenansicht einer Batteriezelle wie 7, wobei die galvanische Zelle lösbar am Zellengehäuse angeordnet ist.
  • 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. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
  • In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
  • 1 zeigt in einer schematischen Schaltbilddarstellung einen Ausschnitt aus einem Mehrpegelenergiewandler 10 mit in Reihe geschalteten Wandlermodulen 18, wobei die Wandlermodule 18 in Halbbrückenschaltung ausgebildet sind. Jedes Wandlermodul 18 umfasst danach eine Reihenschaltung aus zwei Halbleiterschaltelementen 14, 16, zu der eine Batteriezelle 28 als Wandlermodulkondensator parallelgeschaltet ist. Ein Mittelabgriff der in Reihe geschalteten Halbleiterschaltelemente 14 sowie ein Anschluss der Batteriezelle 28 bilden Modulanschlüsse des Wandlermoduls 18.
  • 2 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines Mehrpegelenergiewandlers 20 mit Wandlermodulen 26, wobei sich der Mehrpegelenergiewandler 20 von dem Mehrpegelenergiewandler 10 durch die Schaltungsstruktur der Wandlermodule 26 unterscheidet. Die Wandlermodule 26 weisen eine zweite Reihenschaltung aus Halbleiterschaltelementen 22, 24 auf, die zu der Batteriezelle 28 und damit auch zu der Reihenschaltung aus den Halbleiterschaltelementen 14, 16 ergänzend parallelgeschaltet ist. Das Wandlermodul 26 weist als Anschlüsse die Mittelabgriffe der Reihenschaltungen der Halbleiterschaltelemente 14, 16, 22, 24 auf.
  • Die Funktion der Mehrpegelenergiewandler 10, 20 ist im Stand der Technik bekannt und beispielsweise in der DE 10 2015 205 267 A1 und unter Einsatz eines als elektrischen Kondensator ausgebildeten Wandlermodulkondensators erläutert.
  • 3 zeigt in einer schematischen Schaltbilddarstellung eine Batteriezelle 28 mit einer galvanischen Zelle 12. Die Batteriezelle 28 dient als Element zum modularen Aufbau einer Batterie 48, 50 (4, 5). Die galvanische Zelle 12 ist als elektrochemische Zelle ausgebildet und weist zwei Elektroden auf, die einen ersten Potentialanschluss 42 und einen zweiten Potentialanschluss 44 ausbilden. In der vorliegenden Ausgestaltung ist die galvanische Zelle 12 als Lithium-Ion-Zelle ausgebildet. In alternativen Ausgestaltungen kann hier auch eine andere galvanische Zelle vorgesehen sein, beispielsweise eine Blei-Säure-Zelle oder dergleichen.
  • Die Batteriezelle 28 weist einen ersten Zellenanschluss 34 auf, der unmittelbar mit dem ersten Potentialanschluss 42 der galvanischen Zelle 12 elektrisch gekoppelt ist. Ferner weist die Batteriezelle 28 einen zweiten Zellenanschluss 36 auf, der über ein erstes Halbleiterschaltelement 30 der Batteriezelle 28 mit einem zweiten Potentialanschluss 44 der galvanischen Zelle 12 elektrisch gekoppelt ist. Das erste Halbleiterschaltelement 30 ist vorliegend durch einen Transistor, nämlich einen Feldeffekttransistor nach Art eines MOSFET, ausgebildet. Alternativ kann hier natürlich auch ein anderer Transistor, beispielsweise ein IGBT oder dergleichen eingesetzt werden.
  • Die Batteriezelle 28 umfasst ferner einen mit dem zweiten Potentialanschluss 44 der galvanischen Zelle 12 elektrisch gekoppelten dritten Zellenanschluss 38, ein zweites Halbleiterschaltelement 32, das im Wesentlichen wie das erste Halbleiterschaltelement 30 ausgebildet sein kann, und einen vierten Zellenanschluss 40, der über das zweite Halbleiterschaltelement 32 mit dem ersten Potentialanschluss 42 der galvanischen Zelle 12 elektrisch gekoppelt ist. Die Batteriezelle 28 weist also - im Unterschied zum Stand der Technik - vorliegend vier Zellenanschlüsse 34, 36, 38, 40 auf. Durch diese spezifische Schaltungsstruktur der Batteriezelle 28 können - wie im Folgenden noch erläutert werden wird - spezifische Funktionalitäten beim Betrieb einer mit den Batteriezellen 28 aufgebauten Batterie 48, 50 erreicht werden.
  • 4 zeigt in einer schematischen Schaltbilddarstellung eine Batterie 48, die eine Mehrzahl von Batteriezellen 28, wie gemäß 3 erläutert, umfasst. Die Batterie 48 umfasst Batterieanschlusspole 52, 54, 56, 58, an die eine dreiphasige Asynchronmaschine 72 unmittelbar angeschlossen ist. Die Asynchronmaschine 72 ist vorliegend in Sternschaltung als dreiphasige elektrische Maschine ausgebildet. Ein nicht bezeichneter Sternpunkt der Asynchronmaschine 72 ist an den Batterieanschlusspol 52 angeschlossen. Jeweilige Phasenanschlüsse der Asynchronmaschine 72 sind an die Batterieanschlüsse 54, 56, 58 angeschlossen. Dem Grunde nach kann anstelle der Sternschaltung natürlich auch eine Dreieckschaltung vorgesehen sein.
  • Aus 4 ist ersichtlich, dass die Batteriezellen 28 zu drei Reihenschaltungen 62, 64, 66 geschaltet sind. Eine jeweilige der Reihenschaltungen 62, 64, 66 ist über eine endseitig angeordnete der Batteriezellen 28, und zwar deren zweiten und vierten Zellenanschluss 36, 40, das ein Ende der jeweiligen der Reihenschaltungen 62, 64, 66 bereitstellt, an den Batterieanschlusspol 52 angeschlossen. Die an den gegenüberliegenden Enden der Reihenschaltungen 62, 64, 66 angeordneten Batteriezellen 28 sind über jeweilige Schalteinheiten 74 an den jeweiligen zugeordneten Batterieanschlusspol 54, 56, 58 angeschlossen. Die Reihenschaltungen 62, 64, 66 sind vorliegend im Wesentlichen identisch ausgebildet.
  • Die Schalteinheiten 74 umfassen jeweilige Halbleiterschaltelemente 76, 78, die vorliegend wie die Schaltelemente 30, 32 ausgebildet sein können. Mit einem ihrer Anschlüsse sind die Halbleiterschaltelemente 76, 78 unmittelbar an dem entsprechenden der Batterieanschlusspole 54, 56, 58 angeschlossen. Die gegenüberliegenden Anschlüsse der Halbleiterschaltelemente 76, 78 sind mit den jeweiligen ersten und dritten Anschlüssen 34, 38 des jeweiligen endseitigen der Batteriezellen 28 elektrisch verbunden.
  • Durch diese Schaltungsstruktur ist es möglich, dass jede der Reihenschaltungen 62, 64, 66 eine individuelle elektrische Spannung bereitzustellen vermag, die vorliegend eine Wechselspannung ist. Die Wechselspannungen, die durch die Reihenschaltungen 62, 64, 66 bereitgestellt werden, sind vorliegend um 120 Grad phasenverschoben, um eine dreiphasige Wechselspannung für die Asynchronmaschine 72 bereitzustellen.
  • Die Batterie 48 umfasst ferner eine Steuereinheit 60, an die die Schaltelemente 30, 32 der Batteriezellen 28 sowie die Schaltelemente 76, 78 der Schalteinheiten 74 angeschlossen sind. Durch geeignetes Schalten der Schaltelemente können Batteriezellen 28 aktiviert beziehungsweise deaktiviert werden, um an den Batterieanschlusspolen 54, 56, 58 gegenüber dem Batterieanschlusspol 52 eine gemäß einer jeweiligen vorgegebenen elektrischen Wechselspannung bereitzustellende Wechselspannung bereitstellen zu können. Dadurch ist es möglich, dass die Batterie 48 zugleich die Funktionalität eines vorliegend dreiphasigen Wechselrichters bereitstellen kann, sodass ein separater Wechselrichter zum Betreiben der Asynchronmaschine 72 eingespart werden kann.
  • Dabei ist es mit der erfindungsgemäßen Schaltungsstruktur möglich, sowohl positive als auch negative elektrische Potentiale gegenüber dem Batterieanschlusspol 52, der vorliegend als elektrisches Bezugspotential dient, bereitzustellen. Darüber hinaus ist es möglich, bedarfsweise Amplituden und/oder auch Phasenverschiebungen zwischen den durch die Reihenschaltungen 62, 64, 66 bereitgestellten elektrischen Spannungen bedarfsweise zu variieren, wenn dies im bestimmungsgemäßen Betrieb der Asynchronmaschine 72 gewünscht ist.
  • Auch wenn vorliegend lediglich ein Motorbetrieb der Asynchronmaschine 72 beschrieben ist, ist eine entsprechende Funktionalität auch im Generatorbetrieb der Asynchronmaschine 72 möglich. Für die erfindungsgemäße Funktionalität der Batterie 48 kommt es hierauf vorliegend nicht an.
  • Darüber hinaus ist die Steuereinheit 60 vorliegend ferner ausgebildet, bei Bereitstellung von Spannungswerten, die kleiner als die maximal mögliche Amplitude einer jeweiligen der Reihenschaltungen 62, 64, 66 ist, jeweilige Batteriezellen 28 zu deaktivieren. Dabei können bedarfsweise unterschiedliche der Batteriezellen 28 deaktiviert werden, um eine möglichst gleichmäßige Belastung der Batteriezellen 28 einer jeweiligen der Reihenschaltungen 62, 64, 66 zu erreichen. Darüber hinaus kann dies auch für ein Balancing zwischen den Batteriezellen 28 einer jeweiligen der Reihenschaltungen 62, 64, 66 genutzt werden.
  • 5 zeigt in einer schematischen Schaltbilddarstellung wie 4 eine Batterie 50 anstelle der Batterie 48, die sich von der Batterie 48 dadurch unterscheidet, dass die Reihenschaltung 62 durch die Reihenschaltung 80 ersetzt ist. Die Reihenschaltungen 64 und 66 entsprechen denen der Batterie 48, weshalb diesbezüglich auf die vorhergehenden Ausführungen verwiesen wird. Auch die Funktion der Batterie 50 insgesamt basiert auf den vorhergehenden Ausführungen.
  • Die Reihenschaltung 80 unterscheidet sich von der Reihenschaltung 62 dadurch, dass zu einem Teil der Batteriezellen 28 der Reihenschaltung 62 eine weitere Reihenschaltung 82 parallelgeschaltet ist. Die Reihenschaltung 82 weist ebenfalls eine Schalteinheit 74 auf, an die - wie bei der Reihenschaltung 62 - Batteriezellen 28 in Reihe geschaltet angeschlossen sind. Die endseitige Batteriezelle 28, die der Schalteinheit 74 in der Reihenschaltung 82 gegenüberliegt, ist mit ihrem zweiten Zellenanschluss 36 an den vierten Zellenanschluss 40 der entsprechend parallelzuschaltenden Batteriezellen 28 angeschlossen. Entsprechend ist das Halbleiterschaltelement 30 dieser Batteriezelle 28 im eingeschalteten Zustand, wohingegen der Schaltzustand des Halbleiterschaltelements 32 im ausgeschalteten Schaltzustand ist. Dem Grunde nach kommt es für das zweite Halbleiterschaltelement 32 hierauf jedoch nicht an, weil nämlich der vierte Zellenanschluss 40 dieser Batteriezelle nicht angeschlossen ist, das heißt, offen bleibt. Durch diese Schaltungsstruktur hat die Reihenschaltung 80 bei Bereitstellung von kleinen Spannungen eine größere elektrische Kapazität verfügbar. Dem Grunde nach kann dies auch für die weiteren Reihenschaltungen 64, 66 vorgesehen sein. Die Anzahl der parallelgeschalteten Batteriezellen 28 kann variieren. Im Übrigen kann auch die Anzahl der in Reihe geschalteten Batteriezellen 28 bedarfsgerecht variiert werden.
  • Aus den obigen Ausführungen ergibt sich, dass die Batterie 48, 50 modular durch die Batteriezellen 28 ausgebildet werden kann, sodass sie an spezifische Anwendungen auf einfache Weise angepasst werden kann. Zugleich ermöglicht es die Erfindung, in hochflexibler Weise sehr unterschiedliche Spannungen durch die Batterie 48, 50 bereitstellen zu können. Die Spannungen, die durch die Batterie 48, 50 bereitgestellt werden können, können unabhängig voneinander sein. Je nach Bedarf kann eine Vielzahl von unterschiedlichen Spannungen bereitgestellt werden.
  • Insgesamt sind die Batteriezellen 28 so angeordnet, dass sich je nach Ansteuerung der einzelnen Halbleiterschaltelemente 30, 32 sowohl positive als auch negative Ausgangsspannungen erzeugen lassen. Dazu wird zum Beispiel ein Pluspol einer Batteriezelle 28 mit einem Minuspol einer vorhergehenden Batteriezelle 28 innerhalb einer der Reihenschaltungen 62, 64, 66 verbunden. Zusätzlich befindet sich zwischen dem Minuspol dieser Batteriezelle 28 und ihrer nachfolgenden Batteriezelle 28 ein weiteres Halbleiterschaltelement.
  • Daraus ergibt sich, dass alle Batteriezellen 28 in einer jeweiligen der Reihenschaltungen 62, 64, 66 seriell jeweils über das Halbleiterschaltelement 30 miteinander verbunden sind, das heißt, es befindet sich ein Schaltelement zwischen dem Pluspol einer der Batteriezellen 28 und dem Minuspol einer anderen darauffolgenden Batteriezelle 28. Jede der Batteriezellen 28 ist zusätzlich über jeweils einen Schalter aus von ihrem Minuspol mit den Pluspolen ihrer „Strang-Vorgänger“ sowie ihrer „Strang-Nachfolger“ der Batteriezelle 28 verbunden. Hierdurch wird eine Basiseinheit gebildet.
  • Diese Basiseinheit lässt sich um eine beliebige Anzahl an Batteriezellen 28 erweitern, sodass ein Strang von Batteriezellen entsteht, welcher zur Erzeugung einer Ausgangsspannung, beispielsweise einer Phase einer Wechselspannung, dienen kann.
  • Die galvanischen Zellen 12 der gezeigten Basiseinheit beziehungsweise Batteriezelle 28 können neben der Verwendung einzeln in einer Batteriezelle 28 (3) ebenso durch einen Verbund seriell und/oder parallelverschalteter Zellen realisiert sein, sodass eine Nachbildung von Spannungshüben je nach Anwendung flexibel bereitstellbar ist.
  • Es können ebenso viele solcher Stränge mit einer vorgegebenen Anzahl von Batteriezellen 28 parallelgeschaltet werden, sodass eine vorgegebene Topologie zur Ausgabe einer mehrphasigen Wechselspannung realisiert werden kann.
  • Die Schaltungsstruktur ist damit auf eine Matrixschaltung aus seriell und parallelgeschalteten Batteriezellen 28 erweiterbar. Zusätzlich können etwaige Parallelstränge innerhalb einzelner Phasenstränge eingefügt werden und es können mehrere Stränge zur Bildung einer einzelnen Phase genutzt werden.
  • 6 zeigt in einer schematischen Seitenansicht ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug 68, welches ein Bordnetz 70 umfasst. Das Bordnetz 70 weist die Asynchronmaschine 72 als Antriebseinrichtung und die Batterie 48, 50 auf. Die Batterie 48, 50 ist entweder gemäß 4 oder gemäß 5 ausgebildet und die Asynchronmaschine 72 ist unmittelbar an die Batterie 48, 50 angeschlossen. Ein separater Wechselrichter ist somit für den bestimmungsgemäßen Betrieb der Asynchronmaschine 72 nicht erforderlich, weil die Batterie 48, 50 die dreiphasige Wechselspannung für die Asynchronmaschine 72 unmittelbar bereitstellt.
  • 7 zeigt in einer schematischen Schaltbilddarstellung ein Batteriemodul 114 mit Batteriezellen 110 gemäß einem zweiten Aspekt. Jede der Batteriezellen 110 weist eine galvanische Zelle 12 auf, wie sie bereits anhand von 3 erläutert wurde. Diesbezüglich wird auf die entsprechenden obigen Ausführungen verwiesen. Die galvanische Zelle 12 weist einen ersten Elektrodenanschluss 112 sowie einen zweiten Elektrodenanschluss 108 auf. An den ersten Elektrodenanschluss 112 ist ein erster Zellenanschluss 1 und an den zweiten Elektrodenanschluss 108 ist ein zweiter Zellenanschluss 2 angeschlossen. Bezüglich der Zellenanschlüsse wird ebenfalls auf die entsprechenden obigen Ausführungen verwiesen.
  • Die Batteriezelle 110 umfasst ferner einen dritten und einen vierten Zellenanschluss 3, 4 sowie vier Halbleiterschaltelemente 100, 102, 104, 106, mittels denen die Elektrodenanschlüsse 108, 112 abhängig von einem jeweiligen Schaltzustand der Halbleiterschaltelemente 100, 102, 104, 106 jeweils mit dem dritten oder dem vierten Zellenanschluss 3, 4 elektrisch koppelbar sind. Zu diesem Zweck ist in der vorliegenden Ausgestaltung vorgesehen, dass ein erstes Halbleiterschaltelement 100 zwischen dem ersten und dem dritten Zellenanschluss 1, 3, ein zweites Halbleiterschaltelement 102 zwischen dem zweiten und dem vierten Zellenanschluss 2, 4, ein drittes Halbleiterschaltelement 104, zwischen dem ersten und dem vierten Zellenanschluss 1, 4 und ein viertes Halbleiterschaltelement 106 zwischen dem zweiten und dem dritten Zellenanschluss 2, 3 angeschlossen ist. Durch diese Schaltungsstruktur wird die Möglichkeit geschaffen, die einzelnen Batteriezellen 110, beispielsweise abhängig von einer gewünschten Anzahl von aktiven Batteriezellen oder von einem bereitzustellenden Ausgangsspannungspegel - parallel beziehungsweise in Serie zu schalten.
  • Aus 7 ist ferner ersichtlich, dass die Batteriezellen 110 vorliegend in Reihe geschaltet sind, indem jeweils die Zellenanschlüsse 1, 2 einer jeweiligen der Batteriezellen 110 mit den entsprechenden Zellenanschlüssen 3, 4 einer vorgeordneten der Batteriezellen 110 elektrisch verbunden sind. Die Batteriezellen 110 haben vorliegend - entgegen dem Stand der Technik - vier Zellenanschlüsse. Daraus ergibt sich, dass auch das Batteriemodul 114 - wie aus 7 ersichtlich ist - vier Modulanschlüsse aufweist, nämlich die Modulanschlüsse 120, 122, 124, 126. Die Modulanschlüsse 120, 122 sind vorliegend durch entsprechende Zellenanschlüsse einer der beiden endseitigen der Batteriezellen 110 gebildet. Dagegen sind die Modulanschlüsse 124, 126 über jeweilige zugeordnete Schaltelemente 128, 130 mit den entsprechenden Zellenanschlüssen eines gegenüberliegenden endseitigen der Batteriemodule 110 elektrisch gekoppelt.
  • 8 zeigt in einer schematischen Schaltbilddarstellung wie 7 einen Betriebszustand des Batteriemoduls 114, bei dem sämtliche der Batteriezellen 110 in Reihe geschaltet aktiviert sind. Diese Reihenschaltung ist zum Beispiel zweckmäßig, wenn mit der Batterie 128 (12) eine entsprechende positive Phasenspannung bereitgestellt werden soll. 9 zeigt eine entsprechende Darstellung in einer schematischen Schaltbilddarstellung wie 8, jedoch nun für die Bereitstellung einer entsprechenden negativen Phasenspannung gegenüber einem Sternpunktpotential des Sternpunkts.
  • Die Schaltelemente 100, 102 (par 1, par 2) einer jeweiligen der Batteriezellen bieten darüber hinaus die Möglichkeit, die einzelnen Batteriezellen 110, je nach gewünschter Anzahl an aktiven Batteriezellen oder je nach geforderter Ausgangsspannungspegel, parallelzuschalten. 10 zeigt in einer schematischen Schaltbilddarstellung wie 7 bis 9 einen Betriebszustand des Batteriemoduls 114, bei dem sämtliche der Batteriezellen 110 parallelgeschaltet sind.
  • In dualer Weise kann dies auch für die Bereitstellung einer komplementären Spannung genutzt werden. Zu diesem Zweck braucht dann lediglich anstelle des Halbleiterschaltelements 130 das Halbleiterschaltelement 128 in den eingeschalteten Zustand geschaltet zu werden. Entsprechend ist bei der letzten der Batteriezellen 110 das Halbleiterschaltelement 102 anstelle des Halbleiterschaltelements 110 in den eingeschalteten Schaltzustand zu schalten.
  • Mit der Schaltungsstruktur des Batteriemoduls 114 können jegliche Kombinationen der Batteriezellen 110 realisiert werden. Es ist daher insbesondere die Bereitstellung von positiven als auch von negativen Ausgangsspannungen möglich. Unabhängig hiervon, nämlich, ob die Batteriezellen in Reihe geschaltet oder parallelgeschaltet sind, kann je nach Anwendung beziehungsweise Bedarf eine jeweilige der Batteriezellen in einen aktiven Pfad integriert, das heißt, aktiviert oder deaktiviert werden. Gleichzeitig ist hierbei natürlich auch eine Kombination mit einer Reihenschaltung von Batteriezellen sowie mit einer Parallelschaltung von Batteriezellen möglich. Eine derartige Nutzung des Batteriemoduls 114 zeigt zum Beispiel 11 in einer weiteren schematischen Schaltbilddarstellung. In der Darstellung gemäß 11 sind die ersten beiden Batteriezellen elektrisch parallelgeschaltet, wohingegen die weiteren der Batteriezellen 110 sowie die erstgenannte Parallelschaltung in Reihe geschaltet sind.
  • Die Batteriemodule 114 können nun dazu genutzt werden, eine Batterie 128 zu bilden. 12 zeigt in einer schematischen Schaltbilddarstellung eine derartige Batterie 128, die vorliegend drei Batteriemodule, nämlich die Batteriemodule 114, 116, 118 umfasst. Die Batteriemodule 114, 116, 118 sind vorliegend identisch ausgebildet. Dies braucht jedoch bei spezifischen Anwendungen so nicht zu sein. Die Batteriemodule 114, 116, 118 der Batterie 128 können natürlich auch abweichend voneinander ausgebildet sein.
  • Die Batterie 128 dient vorliegend ebenso wie die Batterie 48 gemäß 4 zur Bereitstellung einer dreiphasigen Wechselspannung für eine an die Batterie 128 angeschlossene Asynchronmaschine 72. Diesbezüglich wird auf die entsprechenden obigen Ausführungen ergänzend verwiesen. Auch bei der Batterie 128 ist eine Steuereinrichtung 60 vorgesehen, an die sämtliche der Halbleiterschaltelemente angeschlossen sind. Mittels der Steuereinrichtung 60 werden die Halbleiterschaltelemente in geeigneter Weise im Schaltbetrieb betrieben, damit die gewünschten Phasenspannungen der dreiphasigen Wechselspannung in geeigneter Weise für die Asynchronmaschine 72 bereitgestellt werden können.
  • Auch wenn in der Batterie 128 gemäß 12 lediglich ein einzelner Strang für eine jeweilige Phasenspannung vorgesehen ist, kann dies bei alternativen Ausgestaltungen natürlich variieren, beispielsweise indem zusätzliche Batteriemodule vorgesehen sein können, die zumindest teilweise im Parallelbetrieb betrieben werden können. Darüber hinaus kann natürlich auch vorgesehen sein, dass Batteriemodule mit einer unterschiedlichen Anzahl von Batteriezellen in geeigneter Weise im Parallelbetrieb betrieben werden können, so wie dies oben auch anhand von 5 bereits erläutert wurde.
  • Dem Grunde nach ist es natürlich möglich, Batterien sowie Batteriemodule aus Batteriezellen des ersten und zweiten Aspekts miteinander zu kombinieren. Der erste und der zweite Aspekt können somit auch in Kombination bei einer Batterie und/oder einem Batteriemodul vorgesehen sein.
  • Aus den obigen Ausführungen ergibt sich, dass die Batterie 48, 50, 128 modular durch die Batteriezellen 28 ausgebildet werden kann, sodass sie an spezifische Anwendungen auf einfache Weise angepasst werden kann. Zugleich ermöglicht es die Erfindung, in hochflexibler Weise sehr unterschiedliche Spannungen durch die Batterie 48, 50, 128 bereitstellen zu können. Die Spannungen, die durch die Batterie 48, 50, 128 bereitgestellt werden können, können unabhängig voneinander sein. Je nach Bedarf kann eine Vielzahl von unterschiedlichen Spannungen bereitgestellt werden.
  • Insgesamt sind die Batteriezellen 28 so angeordnet, dass sich je nach Ansteuerung der einzelnen Halbleiterschaltelemente 30, 32 sowohl positive als auch negative Ausgangsspannungen erzeugen lassen. Dazu wird zum Beispiel ein Pluspol einer Batteriezelle 28 mit einem Minuspol einer vorhergehenden Batteriezelle 28 innerhalb einer der Reihenschaltungen 62, 64, 66 verbunden. Zusätzlich befindet sich zwischen dem Minuspol dieser Batteriezelle 28 und ihrer nachfolgenden Batteriezelle 28 ein weiteres Halbleiterschaltelement.
  • Daraus ergibt sich, dass alle Batteriezellen 28 in einer jeweiligen der Reihenschaltungen 62, 64, 66 seriell jeweils über das Halbleiterschaltelement 30 miteinander verbunden sind, das heißt, es befindet sich ein Schaltelement zwischen dem Pluspol einer der Batteriezellen 28 und dem Minuspol einer anderen darauffolgenden Batteriezelle 28. Jede der Batteriezellen 28 ist zusätzlich über jeweils einen Schalter aus von ihrem Minuspol mit den Pluspolen ihrer „Strang-Vorgänger“ sowie ihrer „Strang-Nachfolger“ der Batteriezelle 28 verbunden. Hierdurch wird eine Basiseinheit gebildet.
  • Diese Basiseinheit lässt sich um eine beliebige Anzahl an Batteriezellen 28 erweitern, sodass ein Strang von Batteriezellen entsteht, welcher zur Erzeugung einer Ausgangsspannung, beispielsweise einer Phase einer Wechselspannung, dienen kann.
  • Die galvanischen Zellen 12 der gezeigten Basiseinheit beziehungsweise Batteriezelle 28 können neben der Verwendung einzeln in einer Batteriezelle 28 (3) ebenso durch einen Verbund seriell und/oder parallelverschalteter Zellen realisiert sein, sodass eine Nachbildung von Spannungshüben je nach Anwendung flexibel bereitstellbar ist.
  • Es können ebenso viele solcher Stränge mit einer vorgegebenen Anzahl von Batteriezellen 28 parallelgeschaltet werden, sodass eine vorgegebene Topologie zur Ausgabe einer mehrphasigen Wechselspannung realisiert werden kann.
  • Die Schaltungsstruktur ist damit auf eine Matrixschaltung aus seriell und parallelgeschalteten Batteriezellen 28 erweiterbar. Zusätzlich können etwaige Parallelstränge innerhalb einzelner Phasenstränge eingefügt werden und es können mehrere Stränge zur Bildung einer einzelnen Phase genutzt werden.
  • 13 zeigt eine schematische Seitenansicht der Batteriezelle 110 gemäß 7 mit einem Zellengehäuse 46, in dem die galvanische Zelle 12 und eine Leiterplatte 130 mit den Halbleiterschaltelementen 30, 32 integriert angeordnet sind. Das Zellengehäuse 46 umfasst einen Gehäusebecher 132, in dessen unteren Bereich die galvanische Zelle 12 angeordnet ist. In 13 ist oberhalb der galvanische Zelle 12 die Leiterplatte 130 mit den Halbleiterschaltelementen 30, 32 im Gehäusebecher 132 angeordnet, wobei die Halbleiterschaltelemente 30, 32 in dieser Fig. nicht dargestellt sind. Der Gehäusebecher 132 ist mittels eines Gehäusedeckels 134 verschlossen, sodass die Leiterplatte 130 und die galvanische Zelle 12 vor äußeren Einflüssen geschützt ist.
  • Die Leiterplatte 130 stellt Kontaktflächen 136, 138 als Anschlusskontakte zum Kontaktieren der Potentialanschlüsse 42, 44 der galvanische Zelle 12 bereit. Ferner stellt die Leiterplatte 130 weitere Kontaktflächen bereit, an denen die Zellenanschlüsse 34, 36, 38, 40 angeschlossen sind. Die Zellenanschlüsse 34, 36, 38, 40 sind am Gehäusedeckel 134 angeordnet, sodass die Batteriezelle 110 in bestimmungsgemäßer Weise elektrische kontaktiert werden kann.
  • Vorliegend ist vorgesehen, dass die Potentialanschlüsse 42, 44 der galvanischen Zelle 12 aufgrund einer Federkraft gegen die Kontaktflächen 136, 138 der Leiterplatte 130 gedrückt wird, um den elektrischen Kontakt herzustellen. In alternativen Ausgestaltungen kann hier natürlich auch eine andere elektrische Verbindung vorgesehen sein, beispielsweise mittels Schraub- oder Steckverbindung oder dergleichen. Bei dieser Ausgestaltung ist die galvanische Zelle 12 mit der Leiterplatte 130 integriert im Zellengehäuse 46 der Batteriezelle 110 angeordnet.
  • 14 zeigt in einer alternativen Ausgestaltung zu 13 eine schematische Seitenansicht einer Batteriezelle wie 13, wobei die galvanische Zelle 12 lösbar am Zellengehäuse angeordnet ist. Das Zellengehäuse ist in dieser Ausgestaltung durch die Leiterplatte 130 selbst gebildet. Die Leiterplatte 130 stellt hier also nicht nur die Kontaktflächen 136, 138 als Anschlusskontakte zum Kontaktieren der Potentialanschlüsse 42, 44 der galvanischen Zelle 12 sondern auch die Zellenanschlüsse 34, 36, 38, 40 bereit. Bei dieser Ausgestaltung kann die galvanische Zelle 12 daher separat von der Batteriezelle 110 hergestellt und mit der Leiterplatte 130 verbunden werden. Das hat den Vorteil, dass die Herstellung der Batteriezellen 110 und der galvanische Zellen 12 voneinander entkoppelt werden kann. Dem Grunde nach kann in einer alternativen Ausgestaltung natürlich auch vorgesehen sein, dass ein Zellengehäuse vorgesehen ist, welches zumindest die Leiterplatte 130 umfasst und die Zellenanschlüsse 34, 36, 38, 40 bereitstellt. Ferner kann einer weiteren alternativen Ausgestaltung das Zellengehäuse auch die Anschlusskontakte für die galvanische Zelle 12 sowie Befestigungselemente bereitstellen, damit die galvanische Zelle 12 mit dem Zellengehäuse verbunden werden kann. Zu diesem Zweck können die Anschlusskontakte zum Beispiel als Schraubklemmen ausgebildet sein, mittels denen die Potentialanschlüsse 42, 44 der galvanische Zelle 12 elektrisch kontaktiert werden können. Zugleich kann hierdurch auch eine mechanische Verbindung erreicht werden. Darüber hinaus kann auch eine mechanische Verbindung nach Art einer Clips-Verbindung, eines Spannbügels und/oder dergleichen vorgesehen sein. Diese Ausgestaltungen können natürlich auch nahezu beliebig miteinander kombiniert werden. Dem Grunde nach kann auch die Batteriezelle 28 entsprechend ausgebildet sein.
  • Die Ausführungsbeispiele dienen ausschließlich der Erläuterung der Erfindung und sollen diese nicht beschränken.
  • 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 102010041059 A1 [0007, 0011]
    • WO 2014/072488 A2 [0011]
    • DE 102015205267 A1 [0080]

Claims (10)

  1. Batteriezelle (110) mit einer galvanischen Zelle (12), wobei die galvanische Zelle (12) einen ersten und einen zweiten Elektrodenanschluss (108, 112) aufweist, wobei der erste Elektrodenanschluss (112) an einen ersten Zellenanschluss (1) und der zweite Elektrodenanschluss (108) an einen zweiten Zellenanschluss (2) angeschlossen ist, gekennzeichnet durch einen dritten und einen vierten Zellenanschluss (3, 4) sowie wenigstens vier Halbleiterschaltelemente (100, 102, 104, 106), mittels denen die Elektrodenanschlüsse (108, 112) abhängig von einem jeweiligen Schaltzustand der Halbleiterschaltelemente (100, 102, 104, 106) jeweils mit dem dritten oder dem vierten Zellenanschluss (3, 4) elektrisch koppelbar sind.
  2. Batteriezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Halbleiterschaltelement (100) zwischen dem ersten und dem dritten Zellenanschluss (1, 3), ein zweites Halbleiterschaltelement (102) zwischen dem zweiten und dem vierten Zellenanschluss (2, 4), ein drittes Halbleiterschaltelement (104) zwischen dem ersten und dem vierten Zellenanschluss (1, 4) und ein viertes Halbleiterschaltelement (106) zwischen dem zweiten und dem dritten Zellenanschluss (2, 3) angeschlossen ist.
  3. Batteriezelle nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein Zellengehäuse (46), in welchem zumindest das erste und das zweite Halbleiterschaltelement (30, 32) angeordnet sind und welches für jeden der Zellenanschlüsse (34, 36, 38, 40) wenigstens einen Anschlusskontakt aufweist, wobei die Anschlusskontakte elektrisch isoliert voneinander angeordnet sind.
  4. Batteriezelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die galvanische Zelle (12), insbesondere lösbar, am beziehungsweise im Zellengehäuse (46) angeordnet ist.
  5. Batteriemodul (114, 116, 118) mit wenigstens einer Batteriezelle (110), gekennzeichnet durch wenigstens eine Batteriezelle (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche sowie vier Modulanschlüsse (120, 122, 124, 126) zum elektrischen Koppeln von Modulanschlüssen (120, 122, 124, 126) weiterer Batteriemodule (114, 116, 118) und/oder von Batterieanschlusspolen einer das Batteriemodul (114, 116, 118) umfassenden Batterie (128).
  6. Batteriemodul nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch wenigstens eine Reihenschaltung aus mehreren Batteriezellen (110).
  7. Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (110) vier Zellenanschlüsse (1, 2, 3, 4) aufweisen.
  8. Batterie (128) mit einer Mehrzahl von benachbart zueinander anordneten und jeweils wenigstens zwei Modulanschlüsse aufweisenden Batteriemodulen (114, 116, 118), wobei jedes Batteriemodul (114, 116, 118) wenigstens eine Batteriezelle (110) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriemodule (114, 116, 118) zumindest teilweise nach einem der Ansprüche 5 bis 6 ausgebildet sind.
  9. Verfahren zum Bereitstellen einer vorgebbaren elektrischen Spannung mittels einer Batterie (110), wobei die Batterie (110) eine Mehrzahl von benachbart zueinander anordneten und jeweils wenigstens zwei Modulanschlüsse (1, 2, 3, 4) aufweisenden Batteriemodulen (114, 116, 118) aufweist, wobei jedes Batteriemodul (114, 116, 118) wenigstens eine Batteriezelle (110) umfasst, wobei die vorgebbare elektrische Spannung an Batterieanschlusspolen der Batterie (110) bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriemodule (114, 116, 118) jeweils vier Modulanschlüsse (1, 2, 3, 4) aufweisen, und zwar jeweils einen ersten, einen zweiten, einen dritten und einen vierten Modulanschluss (1, 2, 3, 4), wobei zumindest ein Teil der Batteriemodule (114, 116, 118) wenigstens eine Batteriezelle (110) mit einer Schaltungsstruktur aufweisen, bei der eine galvanische Zelle (12) einen ersten und einen zweiten Elektrodenanschluss (108, 112) aufweist, wobei der erste Elektrodenanschluss (112) an einen ersten Zellenanschluss (1) und der zweite Elektrodenanschluss (108) an einen zweiten Zellenanschluss (2) angeschlossen ist und wobei die Batteriezelle (110) einen dritten und einen vierten Zellenanschluss (3, 4) sowie wenigstens vier Halbleiterschaltelemente (100, 102, 104, 106) aufweist, mittels denen die Elektrodenanschlüsse (108, 112) abhängig von einem jeweiligen Schaltzustand der Halbleiterschaltelemente (100, 102, 104, 106) jeweils mit dem dritten oder dem vierten der Zellenanschluss (3, 4) elektrisch koppelbar sind, wobei die Halbleiterschaltelemente (100, 102, 104, 106) der Batteriezellen (110) abhängig von der für die Batterie (128) vorgegebenen elektrischen Spannung aktiviert werden, um die vorgegebene elektrische Spannung an den Batterieanschlusspolen bereitzustellen.
  10. Kraftfahrzeug mit einem Bordnetz (70), dass eine elektrische Maschine (72) als Antriebseinrichtung und eine Batterie (128) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (128) nach Anspruch 8 ausgebildet und die elektrische Maschine (72) unmittelbar an die Batterie (128) angeschlossen ist.
DE102019130739.2A 2019-11-14 2019-11-14 Batterie mit einer Batteriezelle und Verfahren zu deren Betrieb Pending DE102019130739A1 (de)

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