WO2012079822A1 - Koppeleinheit und batteriemodul mit einer solchen koppeleinheit - Google Patents

Koppeleinheit und batteriemodul mit einer solchen koppeleinheit Download PDF

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WO2012079822A1 PCT/EP2011/068730 EP2011068730W WO2012079822A1 WO 2012079822 A1 WO2012079822 A1 WO 2012079822A1 EP 2011068730 W EP2011068730 W EP 2011068730W WO 2012079822 A1 WO2012079822 A1 WO 2012079822A1
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coupling unit
battery
switch
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PCT/EP2011/068730
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Inventor
Stefan Butzmann
Holger Fink
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Sb Limotive Germany Gmbh
Sb Limotive Company Ltd.
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a coupling unit for a battery module and a battery module with such a coupling unit.
  • Battery systems will be used. In order to meet the voltage and available power requirements of a particular application, a large number of battery cells are connected in series. Since the power provided by such a battery must flow through all the battery cells and a battery cell can only conduct a limited current, battery cells are often additionally connected in parallel in order to increase the maximum current. This can be done either by providing multiple cell wraps within a battery cell housing or by externally interconnecting battery cells. It is, however,
  • FIG. 1 The block diagram of a conventional electric drive system, as used for example in electric and hybrid vehicles or in stationary applications such as in the rotor blade adjustment of wind turbines is shown in Figure 1.
  • a battery 10 is connected to a
  • Capacitor 11 is buffered. To the DC voltage intermediate circuit connected is a pulse inverter 12, which provides mutually phase-shifted sinusoidal voltages for the operation of an electric drive motor 13 via two switchable semiconductor valves and two diodes at three outputs. The capacitance of the capacitor 11 must be large enough to 5 the voltage in the DC link for a
  • FIG. 2 shows the battery 10 of FIG. 1 in a more detailed block diagram.
  • a large number of battery cells are connected in series as well as optionally additionally in parallel in order to achieve a high output voltage and battery capacity desired for a particular application.
  • a charging and disconnecting device 16 is connected between the positive pole of the battery cells and a positive battery terminal 14.
  • a separating device 17 can additionally be connected between the negative pole of the battery cells and a negative battery terminal 15.
  • the separating and charging device 16 and the separating device 17 each include a contactor 18 and 19, respectively, which are provided to disconnect the battery cells from the battery terminals in order to disconnect the battery terminals from voltage. Due to the high DC voltage of the series-connected battery cells is otherwise significant risk potential for maintenance personnel or the like.
  • a charging contactor 20 with a charging resistor 20 connected in series with the charging contactor 20 is provided in the charging and disconnecting device 16.
  • the charging resistor 21 limits a charging current for the capacitor 11 when the battery is connected to the DC link.
  • the contactor 18 is initially left open and only the charging contactor 20 is closed.
  • the contactor 19 can be closed and optionally the charging contactor 20 are opened.
  • the contactors 18, 19 and the charging contactor 20 increase the cost of a battery 10 is not insignificant, since high demands are placed on their reliability and the currents to be led by them. It has now been proposed to divide the battery into a plurality of battery modules, each of which is equipped with a coupling unit.
  • Coupling unit allows the battery cell (s) contained in a respective battery module to either switch between the two outputs of the battery module depending on control signals or to decouple them from the outputs and to connect the outputs to one another in a conductive manner. Now, if a plurality of such battery modules connected in series, the
  • Output voltage of the battery are switched on variable by the coupling units of the battery modules selectively and selectively switched so that the voltage of the battery cells at the outputs of each battery module is visible or the outputs are bypassed, so that the effective output voltage of the battery module is zero.
  • Output voltage of the battery can be adjusted. Here is, however
  • a coupling unit for a battery module which comprises a first input, a second input, a first output and a second output.
  • the coupling unit is configured to connect the first input to the first output and the second input to the second output in response to a first control signal and to a second control signal to the first input to the second output and the second input to the first output connect.
  • the coupling unit makes it possible to switch one or more battery cells connected between the first and the second input, depending on corresponding control signals, either in a first polarity between the first and the second output or else the battery cells in a second polarity of the first polarity opposite the first and to switch the second output.
  • This makes it possible to generate bipolar alternating voltages, whereby, for example, an electric drive system or a other electrical consumer who is responsible for a supply by a
  • AC voltage is designed directly from a equipped with such a coupling unit battery or a corresponding battery module can be supplied.
  • Components commonly used in the prior art such as DC voltage intermediate circuits or pulse inverters, can thus be dispensed with, as a result of which the design, volume and cost of an overall system are advantageously reduced.
  • the coupling unit can also be designed to connect the first output to the second output in response to a third control signal.
  • the coupling unit can also be designed, in response to the third control signal at least one of the first input or the second input
  • the voltage of a battery which contains a plurality of output side connected in series and equipped with coupling units battery modules according to the invention, can be set in stages, that is, a selectable number of battery modules can be controlled so that they produce an output voltage of 0 V, while the remaining battery modules their battery cells with the outputs of the
  • the coupling unit can at least one changeover switch with a
  • the primary-side connection with one of the first or second output of the coupling unit, a first of the secondary-side connections to the first input of the coupling unit and a second of the secondary side
  • changeover switches can be ensured at Malfunction of the coupling unit None the first input to the second input and thus possibly connected battery cells are short-circuited.
  • a changeover switch is usually just as
  • Electromechanical switch feasible which brings disadvantages in terms of price, size and reliability with it.
  • the coupling unit may include a first switch connected between the first input and the first output, a second switch connected between the second input and the second output, a third switch connected between the first input and the second output and a fourth switch connected between the second input and the first output.
  • a first switch connected between the first input and the first output
  • a second switch connected between the second input and the second output
  • a third switch connected between the first input and the second output
  • a fourth switch connected between the second input and the first output.
  • MOSFET switch Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
  • IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
  • a second aspect of the invention relates to a battery module with a coupling unit according to the first aspect of the invention, and at least one battery cell, preferably a lithium-ion battery cell, which is connected between the first input and the second input of the coupling unit, wherein a first terminal of the battery module with the first Output of the coupling unit and a second terminal of the battery module are connected to the second output of the coupling unit. If the voltage of at least one
  • Battery cell are available at the first and second terminals of the battery module in a first polarity, the first input of the coupling unit are switched to its first output and the second input of the coupling unit to its second output. If, by contrast, a voltage of an opposite polarity is output, the first input is connected to the second output of the coupling unit and the second input is connected to the first output of the coupling unit. This allows the battery module to output an output voltage of a selectable polarity.
  • a third aspect of the invention introduces a battery having one or more, preferably exactly three, battery module strings. It includes a
  • Battery module string a plurality of series-connected battery modules according to the second aspect of the invention.
  • the battery also has a
  • Control unit which is designed to generate the first and the second control signal for the coupling units and output to the coupling units.
  • the battery has the advantages already described above of the possibility of generating a bipolar AC voltage.
  • a fourth aspect of the invention relates to a motor vehicle with an electric drive motor for driving the motor vehicle and one with the
  • a fifth aspect of the invention introduces a method of generating a bipolar AC voltage. It has at least one step of connecting a first pole of at least one battery cell to a first terminal and connecting a second pole of the at least one battery cell to a second terminal during a first time period and a step of connecting the second pole of the at least one battery cell to the first Connecting and connecting the first pole of the at least one battery cell to the second terminal during a second time period following the first time period.
  • the process steps are preferably repeated.
  • the method may further comprise, between the first time period and the second time period and after the second time period, an additional step of decoupling at least one selected first and second pole of the at least one battery cell from the first and second terminals and connecting the first terminal to the second terminal Have connection.
  • FIG. 3 shows a coupling unit according to the invention
  • FIG. 4 shows a first embodiment of the coupling unit
  • FIG. 5 shows a second embodiment of the coupling unit
  • FIG. 6 shows an embodiment of the battery module according to the invention
  • Figure 7 shows a first embodiment of the battery according to the invention.
  • FIG. 3 shows a coupling unit 30 according to the invention.
  • the coupling unit 30 has two inputs 31 and 32 and two outputs 33 and 34. It is designed to connect either the first input 31 to the first output 33 and the second input 32 to the second output 34 or the first input 31 to the second output 34 and the second input 32 to connect to the first output 33.
  • Embodiments of the coupling unit can also be designed to connect the two outputs 33, 34 with one another in order to generate an output voltage of 0 V.
  • Figure 4 shows a first embodiment of the coupling unit 30, in which a first, a second, a third and a fourth switch 35, 36, 37 and 38 are provided. The first switch 35 is between the first input 31 and the first one
  • Output 33 is connected, the second switch 36 is connected between the second input 32 and the second output 34, the third switch 37 between the first input 31 and the second output 34 and the fourth switch 38 between the second input 32 and the first output 33 ,
  • Embodiment offers the advantage that the switches 35, 36, 37 and 38 simply as a semiconductor switch such.
  • MOSFETs Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
  • IGBTs Insulated Gate Bipolar Transistor
  • Semiconductor switches have the advantage of a low price and a high switching speed, so that the coupling unit 30 can respond to a control signal or a change of the control signal within a short time and high switching rates can be achieved.
  • FIG. 5 shows a second embodiment of the coupling unit 30, which has a first changeover switch 39 and a second changeover switch 40.
  • Embodiments are also conceivable in which only one of the two changeover switches 39, 40 is provided and the other is replaced by the switches 35 and 38 or 37 and 36, respectively.
  • the changeover switches 39, 40 have the principal property, only one of their respective inputs on their
  • FIG. 6 shows an embodiment of the battery module according to the invention
  • a plurality of battery cells 51 is between the inputs of a
  • Coupling unit 30 connected in series.
  • the invention is not limited to such a series connection of battery cells, it can also be provided only a single battery cell or a parallel connection or mixed-serial-parallel circuit of battery cells.
  • Coupling unit 30 is connected to a first terminal 52 and the second output of Coupling unit 30 connected to a second terminal 53.
  • the battery module 50 offers the advantage that the battery cells 51 can be connected by the coupling unit 30 in a selectable polarity with the terminals 52, 53, so that an output voltage of different signs can be generated. It may also be possible, for example, by closing the switches 36 and 38 and simultaneously opening the switches 35 and 37 (or by opening the switches 36 and 38 and closing the switches 35 and 37) to connect the terminals 52 and 53 together and to produce an output voltage of 0V.
  • FIG. 7 shows a first embodiment of a battery according to the invention which has n battery module strings 60-1 to 60-n.
  • Battery module string 60-1 to 60-n includes a plurality of battery modules 50, wherein preferably each battery module string 60-1 to 60-n contains the same number of battery modules 50 and optionally also each battery module 50 the same number of battery cells connected in an identical manner.
  • One pole of each battery module string 60 may be connected to a corresponding pole of the other battery module strings 60, which is indicated by a dashed line in FIG.
  • a dashed line in FIG.
  • Battery module string 60 each number of battery modules 50 and a battery each number of battery module strings 60 included. Also, at the poles of the battery module strands 60 additionally charging and disconnecting devices and
  • FIG. 8 shows a drive system with a further embodiment of the battery according to the invention.
  • the battery has three battery module strings 60-1, 60-2 and 60-3, which are each connected directly to an input of a drive motor 13. Since most available electric motors are designed for operation with three phase signals, the battery of the invention preferably has exactly three
  • the battery of the invention has the further advantage that the functionality of a pulse inverter is already integrated in the battery.
  • a control unit of the battery By having a control unit of the battery a variable number of
  • Activated battery modules 50 of a battery module strand 60 with alternating polarity and deactivated the remaining battery modules 50 of the battery module strand 60 that is, an output voltage of 0 V
  • suitable (preferably approximately sinusoidal) phase signals for the drive of the drive motor 13 can be provided.
  • the invention also has the advantages of reducing the number of high-voltage components
  • the coupling units offer an integrated safety concept for the pulse-controlled inverter and battery and increase reliability and reliability
  • Another advantage of the battery according to the invention is that it can be constructed very simply modularly from individual battery modules 50 with integrated coupling unit 30. This will make the use of common parts

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Abstract

Es wird eine Koppeleinheit (30) für ein Batteriemodul (50) beschrieben, die einen ersten Eingang (31), einen zweiten Eingang (32), einen ersten Ausgang (33) und einen zweiten Ausgang (34) besitzt. Die Koppeleinheit (30) ist dabei ausgebildet, auf ein erstes Steuersignal hin den ersten Eingang (31) mit dem ersten Ausgang (33) und den zweiten Eingang (32) mit dem zweiten Ausgang (34) zu verbinden und auf ein zweites Steuersignal hin den ersten Eingang (31) mit dem zweiten Ausgang (34) und den zweiten Eingang (32) mit dem ersten Ausgang (33) zu verbinden. Ferner wird ein Batteriemodul (50) mit einer solchen Koppeleinheit (30) eingeführt. Die Erfindung führt außerdem eine Batterie mit einem oder mehreren Batteriemodulsträngen (60) ein, wobei ein Batteriemodulstrang (60) eine Mehrzahl von in Serie geschalteten erfindungsgemäßen Batteriemodulen (50) umfasst.

Description

Beschreibung Titel
Koppeleinheit und Batteriemodul mit einer solchen Koppeleinheit
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Koppeleinheit für ein Batteriemodul und ein Batteriemodul mit einer solchen Koppeleinheit.
Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, als auch bei Fahrzeugen wie Hybrid- und Elektrofahrzeugen vermehrt
Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden. Um die für eine jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen an Spannung und zur Verfügung stellbare Leistung erfüllen zu können, werden eine hohe Zahl von Batteriezellen in Serie geschaltet. Da der von einer solchen Batterie bereitgestellte Strom durch alle Batteriezellen fließen muss und eine Batteriezelle nur einen begrenzten Strom leiten kann, werden oft zusätzlich Batteriezellen parallel geschaltet, um den maximalen Strom zu erhöhen. Dies kann entweder durch Vorsehen von mehreren Zellwickeln innerhalb eines Batteriezellengehäuses oder durch externes Verschalten von Batteriezellen geschehen. Dabei ist jedoch
problematisch, dass es aufgrund nicht exakt identischer Zellkapazitäten und -Spannungen zu Ausgleichsströmen zwischen den parallel geschalteten
Batteriezellen kommen kann.
Das Prinzipschaltbild eines üblichen elektrischen Antriebssystems, wie es beispielsweise in Elektro- und Hybrid-Fahrzeugen oder auch in stationären Anwendungen wie bei der Rotorblattverstellung von Windkraftanlagen zum Einsatz kommt, ist in Figur 1 dargestellt. Eine Batterie 10 ist an einen
Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen, welcher durch einen
Kondensator 11 gepuffert wird. An den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen ist ein Pulswechselrichter 12, der über jeweils zwei schaltbare Halbleiterventile und zwei Dioden an drei Ausgängen gegeneinander phasenversetzte Sinusspannungen für den Betrieb eines elektrischen Antriebsmotors 13 bereitstellt. Die Kapazität des Kondensators 11 muss groß 5 genug sein, um die Spannung im Gleichspannungszwischenkreis für eine
Zeitdauer, in der eines der schaltbaren Halbleiterventile durchgeschaltet wird, zu stabilisieren. In einer praktischen Anwendung wie einem Elektrofahrzeug ergibt sich eine hohe Kapazität im Bereich von mF. Wegen der üblicherweise recht hohen Spannung des Gleichspannungszwischenkreises kann eine so große l o Kapazität nur unter hohen Kosten und mit hohem Raumbedarf realisiert werden.
Figur 2 zeigt die Batterie 10 der Figur 1 in einem detaillierteren Blockschaltbild. Eine Vielzahl von Batteriezellen sind in Serie sowie optional zusätzlich parallel geschaltet, um eine für eine jeweilige Anwendung gewünschte hohe Ausgangsspannung und Batteriekapazität zu erreichen. Zwischen den Pluspol der Batteriezellen und ein positives Batterieterminal 14 ist eine Lade- und Trenneinrichtung 16 geschaltet. Optional kann zusätzlich zwischen den Minuspol der Batteriezellen und ein negatives Batterieterminal 15 eine Trenneinrichtung 17 geschaltet werden. Die Trenn- und Ladeeinrichtung 16 und die Trenneinrichtung 17 umfassen jeweils ein Schütz 18 beziehungsweise 19, welche dafür vorgesehen sind, die Batteriezellen von den Batterieterminals abzutrennen, um die Batterieterminals spannungsfrei zu schalten. Aufgrund der hohen Gleichspannung der seriengeschalteten Batteriezellen ist andernfalls erhebliches Gefährdungspotential für Wartungspersonal oder dergleichen gegeben. In der Lade- und Trenneinrichtung 16 ist zusätzlich ein Ladeschütz 20 mit einem zu dem Ladeschütz 20 in Serie geschalteten Ladewiderstand 21 vorgesehen. Der Ladewiderstand 21 begrenzt einen Aufladestrom für den Kondensator 11 , wenn die Batterie an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen wird. Hierzu wird zunächst das Schütz 18 offen gelassen und nur der Ladeschütz 20 geschlossen. Erreicht die Spannung am positiven Batterieterminal 14 die
Spannung der Batteriezellen, kann das Schütz 19 geschlossen und gegebenenfalls das Ladeschütz 20 geöffnet werden. Die Schütze 18, 19 und das Ladeschütz 20 erhöhen die Kosten für eine Batterie 10 nicht unerheblich, da hohe Anforderungen an ihre Zuverlässigkeit und an die von ihnen zu führenden Ströme gestellt werden. Es ist nun vorgeschlagen worden, die Batterie in eine Mehrzahl Batteriemodule zu unterteilen, welche jede mit einer Koppeleinheit ausgestattet sind. Die
Koppeleinheit erlaubt es, das oder die in einem jeweiligen Batteriemodul enthaltene Batteriezelle/n abhängig von Steuersignalen entweder zwischen die beiden Ausgänge des Batteriemoduls zu schalten oder aber von den Ausgängen abzukoppeln und die Ausgänge miteinander leitend zu verbinden. Wird nun eine Mehrzahl solcher Batteriemodule in Serie geschaltet, kann die
Ausgangsspannung der Batterie variabel eingeschaltet werden, indem die Koppeleinheiten der Batteriemodule wahlweise und selektiv so geschaltet werden, dass die Spannung der Batteriezellen an den Ausgängen eines jeweiligen Batteriemoduls sichtbar wird oder aber die Ausgänge überbrückt werden, so dass die effektive Ausgangsspannung des Batteriemoduls Null wird. Dadurch kann beispielsweise auch eine näherungsweise sinusförmige
Ausgangsspannung der Batterie eingestellt werden. Hierbei ist jedoch
problematisch, dass die sinusförmige Ausgangsspannung nur Spannungswerte zwischen einer minimalen Spannung von 0 V und einer maximalen
Batteriespannung aufweisen kann, somit also eine bipolare Ausgangsspannung nicht möglich wird. Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird daher eine Koppeleinheit für ein Batteriemodul eingeführt, die einen ersten Eingang, einen zweiten Eingang, einen ersten Ausgang und einen zweiten Ausgang umfasst. Die Koppeleinheit ist dabei ausgebildet, auf ein erstes Steuersignal hin den ersten Eingang mit dem ersten Ausgang und den zweiten Eingang mit dem zweiten Ausgang zu verbinden und auf ein zweites Steuersignal hin den ersten Eingang mit dem zweiten Ausgang und den zweiten Eingang mit dem ersten Ausgang zu verbinden. Die Koppeleinheit ermöglicht es, eine oder mehrere zwischen den ersten und den zweiten Eingang geschaltete Batteriezellen abhängig von entsprechenden Steuersignalen entweder in einer ersten Polarität zwischen den ersten und den zweiten Ausgang zu schalten oder aber die Batteriezellen in einer der ersten Polarität entgegengesetzten zweiten Polarität zwischen den ersten und den zweiten Ausgang zu schalten. Dies ermöglicht es, bipolare Wechselspannungen zu erzeugen, wodurch beispielsweise ein elektrisches Antriebssystem oder ein sonstiger elektrischer Verbraucher, der für eine Versorgung durch eine
Wechselspannung ausgelegt ist, direkt aus einer mit einer solchen Koppeleinheit ausgestatteten Batterie oder einem entsprechenden Batteriemodul versorgt werden kann. Im Stand der Technik üblicherweise verwendete Komponenten wie Gleichspannungszwischenkreise oder Pulswechselrichter können somit entfallen, wodurch Aufbau, Volumen und Kosten eines Gesamtsystems vorteilhaft reduziert werden.
Die Koppeleinheit kann außerdem ausgebildet sein, auf ein drittes Steuersignal hin den ersten Ausgang mit dem zweiten Ausgang zu verbinden. Dabei kann die Koppeleinheit außerdem ausgebildet sein, auf das dritte Steuersignal hin wenigstens einen aus dem ersten Eingang oder dem zweiten Eingang
ausgewählten Eingang von dem ersten Ausgang oder dem zweiten Ausgang abzutrennen.
Diese Ausführungsform erlaubt das Erzeugen einer Ausgangsspannung von 0 V, was mehrere Vorteile bietet. So kann einerseits die Spannung einer Batterie, die mehrere ausgangsseitig in Serie geschaltete und mit erfindungsgemäßen Koppeleinheiten ausgestattete Batteriemodule enthält, stufig eingestellt werden, das heißt, es kann eine wählbare Anzahl von Batteriemodulen so gesteuert werden, dass sie eine Ausgangsspannung von 0 V erzeugen, während die restlichen Batteriemodule ihre Batteriezellen mit den Ausgängen der
Koppeleinheit verbinden und dadurch eine Ausgangsspannung einer gewählten Polarität erzeugen. Andererseits können die Batteriezellen eines Batteriemoduls abgekoppelt und in diesem Zustand gefahrlos ausgetauscht werden. Durch ein derartiges zeitweiliges Abkoppeln der Batteriezellen können diese zudem entlastet werden, was beispielsweise bei unterschiedlichen Ladungszuständen der Batteriezellen mehrerer Batteriemodule vorteilhaft sein kann. Die Koppeleinheit kann wenigstens einen Wechselschalter mit einem
primärseitigen Anschluss und zwei sekundärseitigen Anschlüssen aufweisen. Dabei sind der primärseitige Anschluss mit einem von erstem oder zweitem Ausgang der Koppeleinheit, ein erster der sekundärseitigen Anschlüsse mit dem ersten Eingang der Koppeleinheit und ein zweiter der sekundärseitigen
Anschlüsse mit dem zweiten Eingang der Koppeleinheit verbunden. Durch die
Verwendung von Wechselschaltern kann sichergestellt werden, dass bei Fehlfunktion der Koppeleinheit niemals der erste Eingang mit dem zweiten Eingang und somit eventuell angeschlossene Batteriezellen kurzgeschlossen werden. Allerdings ist ein Wechselschalter gewöhnlich nur als
elektromechanischer Schalter realisierbar, was Nachteile hinsichtlich Preis, Größe und Ausfallsicherheit mit sich bringt.
Alternativ kann die Koppeleinheit einen ersten Schalter, welcher zwischen den ersten Eingang und den ersten Ausgang geschaltet ist, einen zweiten Schalter, welcher zwischen den zweiten Eingang und den zweiten Ausgang geschaltet ist, einen dritten Schalter, welcher zwischen den ersten Eingang und den zweiten Ausgang geschaltet ist, und einen vierten Schalter, welcher zwischen den zweiten Eingang und den ersten Ausgang geschaltet ist, aufweisen. Eine solche Ausführung der Koppeleinheit eignet sich besonders gut für eine Realisierung mit Halbleiterschaltern, wobei wenigstens einer der Schalter bevorzugt als
MOSFET-Schalter (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) oder Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)-Schalter ausgebildet ist.
Ein zweiter Erfindungsaspekt betrifft ein Batteriemodul mit einer Koppeleinheit gemäß dem ersten Erfindungsaspekt, und wenigstens einer Batteriezelle, vorzugsweise einer Lithium-Ionen-Batteriezelle, welche zwischen den ersten Eingang und den zweiten Eingang der Koppeleinheit geschaltet ist, wobei ein erstes Terminal des Batteriemoduls mit dem ersten Ausgang der Koppeleinheit und ein zweites Terminal des Batteriemoduls mit dem zweiten Ausgang der Koppeleinheit verbunden sind. Soll die Spannung der wenigstens einen
Batteriezelle am ersten und zweiten Terminal des Batteriemoduls in einer ersten Polarität zur Verfügung stehen, werden der erste Eingang der Koppeleinheit auf deren ersten Ausgang und der zweite Eingang der Koppeleinheit auf deren zweiten Ausgang durchgeschaltet. Soll hingegen eine Spannung einer entgegengesetzten Polarität ausgegeben werden, werden der erste Eingang mit dem zweiten Ausgang der Koppeleinheit und der zweite Eingang mit dem ersten Ausgang der Koppeleinheit verbunden. Dadurch kann das Batteriemodul eine Ausgangsspannung einer wählbaren Polarität ausgeben.
Ein dritter Erfindungsaspekt führt eine Batterie mit einem oder mehreren, vorzugsweise genau drei, Batteriemodulsträngen, ein. Dabei umfasst ein
Batteriemodulstrang eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt. Die Batterie weist ferner eine
Steuereinheit auf, welche ausgebildet ist, das erste und das zweite Steuersignal für die Koppeleinheiten zu erzeugen und an die Koppeleinheiten auszugeben.
Die Batterie besitzt die bereits oben dargestellten Vorteile der Möglichkeit der Erzeugung einer bipolaren Wechselspannung.
Ein vierter Erfindungsaspekt betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeuges und einer mit dem
elektrischen Antriebsmotor verbundenen Batterie gemäß dem vorhergehenden Erfindungsaspekt.
Ein fünfter Erfindungsaspekt führt ein Verfahren zum Erzeugen einer bipolaren Wechselspannung ein. Es besitzt wenigstens einen Schritt des Verbindens eines ersten Pols wenigstens einer Batteriezelle mit einem ersten Anschluss und des Verbindens eines zweiten Pols der wenigstens einen Batteriezelle mit einem zweiten Anschluss während einer ersten Zeitperiode sowie einen Schritt des Verbindens des zweiten Pols der wenigstens einen Batteriezelle mit dem ersten Anschluss und Verbinden des ersten Pols der wenigstens einen Batteriezelle mit dem zweiten Anschluss während einer auf die erste Zeitperiode folgenden zweiten Zeitperiode.
Die Verfahrensschritte werden bevorzugt wiederholt.
Das Verfahren kann außerdem zwischen der ersten Zeitperiode und der zweiten Zeitperiode sowie nach der zweiten Zeitperiode einen zusätzlichen Schritt des Abkoppeins wenigstens eines ausgewählten Pols von erstem und zweitem Pol der wenigstens einen Batteriezelle von dem ersten beziehungsweise zweiten Anschluss und des Verbindens des ersten Anschlusses mit dem zweiten Anschluss aufweisen. Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktional gleichartige Komponenten bezeichnen. Es zeigen:
Figur 1 ein elektrisches Antriebssystem gemäß dem Stand der Technik,
Figur 2 ein Blockschaltbild einer Batterie gemäß dem Stand der Technik,
Figur 3 eine Koppeleinheit gemäß der Erfindung,
Figur 4 eine erste Ausführungsform der Koppeleinheit,
Figur 5 eine zweite Ausführungsform der Koppeleinheit,
Figur 6 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriemoduls,
Figur 7 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie, und
Figur 8 ein Antriebssystem mit einer weiteren Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Batterie.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 3 zeigt eine Koppeleinheit 30 gemäß der Erfindung. Die Koppeleinheit 30 besitzt zwei Eingänge 31 und 32 sowie zwei Ausgänge 33 und 34. Sie ist ausgebildet, entweder den ersten Eingang 31 mit dem ersten Ausgang 33 sowie den zweiten Eingang 32 mit dem zweiten Ausgang 34 zu verbinden oder aber den ersten Eingang 31 mit dem zweiten Ausgang 34 und den zweiten Eingang 32 mit dem ersten Ausgang 33 zu verbinden. Bei bestimmten
Ausführungsformen der Koppeleinheit kann diese außerdem ausgebildet sein, beide Ausgänge 33, 34 miteinander zu verbinden, um eine Ausgangsspannung von 0 V zu erzeugen. Figur 4 zeigt eine erste Ausführungsform der Koppeleinheit 30, bei der ein erster, ein zweiter, ein dritter und ein vierter Schalter 35, 36, 37 und 38 vorgesehen sind. Der erste Schalter 35 ist zwischen den ersten Eingang 31 und den ersten
Ausgang 33 geschaltet, der zweite Schalter 36 ist zwischen den zweiten Eingang 32 und den zweiten Ausgang 34, der dritte Schalter 37 zwischen den ersten Eingang 31 und den zweiten Ausgang 34 und der vierte Schalter 38 zwischen den zweiten Eingang 32 und den ersten Ausgang 33 geschaltet. Diese
Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Schalter 35, 36, 37 und 38 einfach als Halbleiterschalter wie z. B. MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) oder IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) verwirklicht werden können. Halbleiterschalter haben den Vorteil eines günstigen Preises und einer hohen Schaltgeschwindigkeit, so dass die Koppeleinheit 30 innerhalb einer geringen Zeit auf ein Steuersignal beziehungsweise eine Änderung des Steuersignals reagieren kann und hohe Umschaltraten erreichbar sind.
Figur 5 zeigt eine zweite Ausführungsform der Koppeleinheit 30, welche über einen ersten Wechselschalter 39 und einen zweiten Wechselschalter 40 verfügt. Es sind auch Ausführungsformen denkbar, bei denen nur einer der beiden Wechselschalter 39, 40 vorgesehen ist und der andere durch die Schalter 35 und 38 beziehungsweise 37 und 36 ersetzt wird. Die Wechselschalter 39, 40 besitzen die prinzipielle Eigenschaft, nur einen ihrer jeweiligen Eingänge auf ihren
Ausgang durchschalten zu können, während der jeweils verbleibende Eingang abgekoppelt wird. Dies bietet den Vorteil, dass auch bei Fehlfunktion der eingesetzten Schalter oder Steuereinheit niemals der erste Eingang 31 der Koppeleinheit 30 mit dem zweiten Eingang 32 der Koppeleinheit 30 verbunden werden und so die angeschlossenen Batteriezellen kurzgeschlossen werden können. Die Wechselschalter 39 und 40 können besonders einfach als elektromechanische Schalter realisiert werden. Die Figur 6 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriemoduls
50. Eine Mehrzahl von Batteriezellen 51 ist zwischen die Eingänge einer
Koppeleinheit 30 in Serie geschaltet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine solche Serienschaltung von Batteriezellen beschränkt, es kann auch nur eine einzelne Batteriezelle vorgesehen sein oder aber eine Parallelschaltung oder gemischt-seriell-parallele Schaltung von Batteriezellen. Der erste Ausgang der
Koppeleinheit 30 ist mit einem ersten Terminal 52 und der zweite Ausgang der Koppeleinheit 30 mit einem zweiten Terminal 53 verbunden. Wie bereits erklärt, bietet das Batteriemodul 50 den Vorteil, dass die Batteriezellen 51 durch die Koppeleinheit 30 in einer wählbaren Polarität mit den Terminals 52, 53 verbunden werden können, so dass eine Ausgangsspannung unterschiedlicher Vorzeichen erzeugt werden kann. Auch kann es möglich sein, beispielsweise durch Schließen der Schalter 36 und 38 und gleichzeitiges Öffnen der Schalter 35 und 37 (oder aber durch Öffnen der Schalter 36 und 38 sowie Schließen der Schalter 35 und 37), die Terminals 52 und 53 miteinander leitend zu verbinden und eine Ausgangsspannung von 0 V zu erzeugen.
Figur 7 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batterie, welche über n Batteriemodulstränge 60-1 bis 60-n verfügt. Jeder
Batteriemodulstrang 60-1 bis 60-n weist eine Mehrzahl von Batteriemodulen 50 auf, wobei vorzugsweise jeder Batteriemodulstrang 60-1 bis 60-n dieselbe Anzahl von Batteriemodulen 50 und optional außerdem jedes Batteriemodul 50 dieselbe Anzahl von Batteriezellen in identischer Weise verschaltet enthält. Ein Pol eines jeden Batteriemodulstranges 60 kann mit einem entsprechenden Pol der anderen Batteriemodulstränge 60 verbunden sein, was durch eine gestrichelte Linie in Figur 7 angedeutet ist. Generell kann ein
Batteriemodulstrang 60 jede Zahl von Batteriemodulen 50 und eine Batterie jede Zahl von Batteriemodulsträngen 60 enthalten. Auch können an den Polen der Batteriemodulstränge 60 zusätzlich Lade- und Trenneinrichtungen und
Trenneinrichtungen wie bei Figur 2 vorgesehen sein, wenn
Sicherheitsbestimmungen dies erfordern. Allerdings sind solche
Trenneinrichtungen erfindungsgemäß nicht notwendig, wenn die verwendeten Batteriemodule 50 eine Abkopplung der Batteriezellen 51 von den Terminals 52, 53 durch die in den Batteriemodulen 50 enthaltenen Koppeleinheiten 30 erlauben. Figur 8 zeigt ein Antriebssystem mit einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie. Im gezeigten Beispiel besitzt die Batterie drei Batteriemodulstränge 60-1 , 60-2 und 60-3, welche jeweils direkt an einen Eingang eines Antriebsmotors 13 angeschlossen sind. Da die meisten verfügbaren Elektromotoren auf einen Betrieb mit drei Phasensignalen ausgelegt sind, besitzt die Batterie der Erfindung bevorzugt genau drei
Batteriemodulstränge. Die Batterie der Erfindung besitzt den weiteren Vorzug, dass die Funktionalität eines Pulswechselrichters bereits in die Batterie integriert ist. Indem eine Steuereinheit der Batterie eine variable Anzahl von
Batteriemodulen 50 eines Batteriemodulstranges 60 mit wechselnder Polarität aktiviert und die verbleibenden Batteriemodule 50 des Batteriemodulstranges 60 deaktiviert (das heißt eine Ausgangsspannung von 0 V vorgibt), können geeignete (vorzugsweise näherungsweise sinusförmige) Phasensignale für den Antrieb des Antriebsmotors 13 bereitgestellt werden.
Die Erfindung besitzt außer den bereits genannten Vorteilen außerdem die Vorteile einer Reduktion der Anzahl von Hochvoltkomponenten, von
Steckverbindungen und bietet die Möglichkeit, ein Kühlsystem der Batterie mit dem des Pulswechselrichters zu kombinieren, wobei ein Kühlmittel, das zur Kühlung der Batteriezellen eingesetzt wird, anschließend zur Kühlung der Komponenten des Pulswechselrichters (also der Koppeleinheiten 30) eingesetzt werden kann, da diese üblicherweise höhere Betriebstemperaturen erreichen und durch das von den Batteriezellen bereits erwärmte Kühlmittel noch hinreichend gekühlt werden können. Zudem wird es möglich, die Steuereinheiten der Batterie und des Pulswechselrichters zu kombinieren und so weiter Aufwand einzusparen. Die Koppeleinheiten bieten ein integriertes Sicherheitskonzept für Pulswechselrichter und Batterie und erhöhen die Zuverlässigkeit und
Verfügbarkeit des Gesamtsystems sowie die Lebensdauer der Batterie, indem sie den Austausch von durch die jeweilige Koppeleinheit 30 abgekoppelten Batteriezellen im laufenden Betrieb der Gesamtvorrichtung ermöglichen.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Batterie ist, dass sie sehr einfach modular aus einzelnen Batteriemodulen 50 mit integrierter Koppeleinheit 30 aufgebaut werden kann. Dadurch wird die Verwendung von Gleichteilen
(Baukastenprinzip) möglich.

Claims

Ansprüche
Eine Koppeleinheit (30) für ein Batteriemodul (40), die Koppeleinheit (30) umfassend einen ersten Eingang (31), einen zweiten Eingang (32), einen ersten Ausgang (33) und einen zweiten Ausgang (34), dadurch
gekennzeichnet, dass die Koppeleinheit (30) ausgebildet ist, auf ein erstes Steuersignal hin den ersten Eingang (31) mit dem ersten Ausgang (33) und den zweiten Eingang (32) mit dem zweiten Ausgang (34) zu verbinden und auf ein zweites Steuersignal hin den ersten Eingang (31) mit dem zweiten Ausgang (34) und den zweiten Eingang (32) mit dem ersten Ausgang (33) zu verbinden.
Die Koppeleinheit (30) gemäß Anspruch 1 , welche außerdem ausgebildet ist, auf ein drittes Steuersignal hin den ersten Ausgang (33) mit dem zweiten Ausgang (34) zu verbinden.
Die Koppeleinheit (30) gemäß Anspruch 2, welche außerdem ausgebildet ist, auf das dritte Steuersignal hin wenigstens einen aus dem ersten Eingang (31) oder dem zweiten Eingang (32) ausgewählten Eingang (31 , 32) von dem ersten Ausgang (33) oder dem zweiten Ausgang (34) abzutrennen.
Die Koppeleinheit (30) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit wenigstens einem Wechselschalter (39), welcher einen primärseitigen Anschluss und zwei sekundärseitige Anschlüsse aufweist, von denen der primärseitige Anschluss mit einem von erstem oder zweitem Ausgang (33, 34) der Koppeleinheit, ein erster der sekundärseitigen Anschlüsse mit dem ersten Eingang (31) der Koppeleinheit und ein zweiter der sekundärseitigen Anschlüsse mit dem zweiten Eingang (32) der Koppeleinheit verbunden sind.
5. Die Koppeleinheit (30) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem
ersten Schalter (35), welcher zwischen den ersten Eingang (31) und den ersten Ausgang (33) geschaltet ist, einem zweiten Schalter (36), welcher zwischen den zweiten Eingang (32) und den zweiten Ausgang (34) geschaltet ist, einem dritten Schalter (37), welcher zwischen den ersten Eingang (31) und den zweiten Ausgang (34) geschaltet ist, und einem vierten Schalter (38), welcher zwischen den zweiten Eingang (32) und den ersten Ausgang (33) geschaltet ist.
Die Koppeleinheit (30) gemäß Anspruch 5, bei der wenigstens einer von erstem Schalter (35), zweitem Schalter (36), drittem Schalter (37) oder viertem Schalter (38) als Halbleiterschalter, vorzugsweise als
MOSFET-Schalter oder Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)-Schalter ausgebildet ist.
Ein Batteriemodul (50) mit einer Koppeleinheit (30) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, und wenigstens einer Batteriezelle (51), vorzugsweise einer Lithium-Ionen-Batteriezelle, welche zwischen den ersten Eingang (31) und den zweiten Eingang (32) der Koppeleinheit (30) geschaltet ist, wobei ein erstes Terminal (52) des Batteriemoduls (50) mit dem ersten Ausgang (33) der Koppeleinheit (30) und ein zweites Terminal (53) des Batteriemoduls (50) mit dem zweiten Ausgang (34) der
Koppeleinheit (30) verbunden sind.
Eine Batterie mit einem oder mehreren, vorzugsweise genau drei,
Batteriemodulsträngen (60), wobei jeder Batteriemodulstrang (60) eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen (50) gemäß dem vorhergehenden Anspruch umfasst, und einer Steuereinheit, welche ausgebildet ist, das erste und das zweite Steuersignal für die
Koppeleinheiten (30) zu erzeugen und an die Koppeleinheiten (30) auszugeben.
Ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor (13) zum Antreiben des Kraftfahrzeuges und einer mit dem elektrischen Antriebsmotor (13) verbundenen Batterie gemäß dem vorhergehenden Anspruch.
Ein Verfahren zum Erzeugen einer bipolaren Wechselspannung mit den folgenden Schritten: Verbinden eines ersten Pols wenigstens einer Batteriezelle (51) mit einem ersten Anschluss und Verbinden eines zweiten Pols der wenigstens einen Batteriezelle (51) mit einem zweiten Anschluss während einer ersten Zeitperiode; und
Verbinden des zweiten Pols der wenigstens einen Batteriezelle (51) mit dem ersten Anschluss und Verbinden des ersten Pols der wenigstens einen Batteriezelle (51) mit dem zweiten Anschluss während einer auf die zweite Zeitperiode folgenden dritten Zeitperiode.
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