WO2012152594A2 - Batteriedoppelmodul - Google Patents

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WO2012152594A2
WO2012152594A2 PCT/EP2012/057659 EP2012057659W WO2012152594A2 WO 2012152594 A2 WO2012152594 A2 WO 2012152594A2 EP 2012057659 W EP2012057659 W EP 2012057659W WO 2012152594 A2 WO2012152594 A2 WO 2012152594A2
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switch
output
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Ralph Schmidt
Stephan Rees
Stefan Butzmann
Holger Fink
Martin Lang
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Robert Bosch GmbH
Robert Bosch Battery Systems GmbH
SB LiMotive Co Ltd
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Robert Bosch GmbH
SB LiMotive Germany GmbH
SB LiMotive Co Ltd
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    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
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    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery double module and a battery having such a battery double module.
  • 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 1 1 is buffered.
  • a pulse inverter 12 which in each case via two switchable semiconductor valves and two diodes at three outputs against each other
  • the capacitance of the capacitor 1 1 must be large enough to the voltage in the DC link for a
  • FIG. 2 shows the battery 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 level of power 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 or 19, which are provided, the battery cells of the battery terminals 14, 15th
  • 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 1 1 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 18 can be closed and
  • 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.
  • the series connection of a large number of battery cells, in addition to the high total voltage, involves the problem that the entire battery fails if a single battery cell fails, because the battery current due to the
  • the term means
  • Reliability means the ability of a system to operate correctly for a given time.
  • a battery double module which comprises a first and a second battery cell group.
  • Battery cell group are connected in series and each comprise at least one battery cell, preferably a lithium-ion battery cell.
  • the battery double module further comprises a first and a second coupling unit. Both coupling units each comprise a first input, a second input and an output. The two coupling units are each designed to connect the first input or the second input to the output in response to a control signal.
  • the first input of the first coupling unit is connected to a positive pole of the first battery cell group.
  • the second input of the second coupling unit is connected to a negative terminal of the second battery cell group.
  • the second input of the first coupling unit, a negative pole of the first battery cell group, the first input of the second coupling unit and a positive pole of the second battery cell group are connected to one another.
  • the two independently controllable coupling units make it possible, one or more battery cells, which of the first or the second
  • Battery cell group are assigned, so to couple to the outputs of the two coupling units that either the sum of the voltage generated by the two battery cell groups, one of each battery cell group generated single voltage or a voltage of 0 volts is visible from the outside.
  • the reliability of a Battery system can thus be increased significantly compared to that shown in Figure 1, because the failure of a single battery cell does not directly lead to failure of the battery system.
  • the coupling units may each have a changeover switch, which is designed to connect to the control signal either the first input or the second input to the output. Alternatively, the
  • Coupling units each have a first switch, which between the first
  • MOSFET MOSFET
  • IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
  • a first terminal of the battery dual module is connected to the output of the first coupling unit.
  • a second terminal of the battery dual module is connected to the output of the first coupling unit.
  • Battery double module connected to the output of the second coupling unit. At the two terminals then depending on the control of the two coupling units is a stage adjustable output voltage.
  • first and the second battery cell group each comprise the same number of battery cells.
  • the second input of the first coupling unit and the first input of the second coupling unit may be connected to a center tap of the battery module, on which externally another potential can be tapped, which may differ from the voltage applied to the two terminals of the battery module potentials.
  • a second aspect of the invention carries a battery, preferably a battery
  • Lithium-ion battery with one or more, preferably exactly three,
  • a battery module string comprises a plurality of series-connected battery double modules according to the invention.
  • Battery also has a control unit, which is formed, the To generate control signal for the respective coupling units and to the
  • control unit can be designed either the first one
  • the battery double module becomes high-impedance, whereby the current flow in the battery module string is interrupted. This can be useful in the case of maintenance, where, for example, all the battery double modules of a battery module string can be put into the high-impedance state in order to be able to replace a defective battery module without danger.
  • a third aspect of the invention relates to a motor vehicle with an electric
  • FIG. 2 shows a block diagram of a battery according to the prior art
  • FIG. 3 shows a coupling unit which can be used in the battery double module according to the invention
  • FIG. 4 shows a first embodiment of the coupling unit
  • FIG. 5 shows a second embodiment of the coupling unit
  • FIGS. 6 and 7 show two arrangements of the coupling unit in a battery module
  • FIG. 8 shows a first embodiment of the invention
  • Figure 9 shows a first embodiment of the battery according to the invention.
  • FIG. 3 shows a coupling unit 30, which in the inventive
  • the coupling unit 30 has two inputs 31 and 32 and an output 33 and is designed to connect one of the inputs 31 or 32 to the output 33 and to decouple the other. In certain embodiments of the coupling unit, this can also be designed to separate both inputs 31, 32 from the output 33. However, it is not intended to connect both the input 31 and the input 32 to the output 33.
  • FIG 4 shows a first embodiment of the coupling unit 30, which has a changeover switch 34, which in principle can connect only one of the two inputs 31, 32 to the output 33, while the respective other input 31, 32 is disconnected from the output 33.
  • the changeover switch 34 can be realized particularly simply as an electromechanical switch.
  • FIG. 5 shows a second embodiment of the coupling unit 30, in which a first and a second switch 35 or 36 are provided.
  • Each of the switches 35, 36 is connected between one of the inputs 31 and 32 and the output 33.
  • This embodiment offers the advantage that both inputs 31, 32 can be decoupled from the output 33, so that the output 33 becomes high-impedance.
  • the switches 35, 36 can be easily used as a semiconductor switch such as
  • MOSFET metal oxide semiconductor field effect transistor
  • Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) switch can be realized.
  • Time can respond to a control signal or a change of the control signal and high switching rates can be achieved.
  • FIGS 6 and 7 show two arrangements of the coupling unit 30 in one
  • (single) battery module 40 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
  • Terminal 42 and the negative pole of the battery cells 41 with a second
  • Terminal 43 connected. However, it is a mirror image arrangement as in
  • Terminal 42 and the output of the coupling unit 30 are connected to the second terminal 43.
  • FIG. 8 shows a first embodiment of a device according to the invention
  • the battery double module 1 10 includes a first and a second battery cell group 1 1 1, 1 12.
  • the two battery cell groups 1 1 1, 1 12 are connected in series and each comprise at least one battery cell 41st The
  • Battery double module 1 10 also includes a first and a second coupling unit 121, 122.
  • the two coupling units 121, 122 may be configured as shown in Figure 3 to 5. They each include a first input 131, 132, a second
  • the two coupling units 121, 122 can each be controlled so that either its first input 131, 132 or its second input 141, 142 is connected to its output 151, 152.
  • the first input 131 of the first coupling unit 121 is connected to a positive pole 161 of the first battery cell group 1 1 1.
  • the second input 142 of the second coupling unit 122 with a negative terminal 172 of the second
  • Wiring effort is due to the fact that the second input 141 of the first coupling unit 121, a negative terminal 171 of the first battery cell group 1 1 1, the first input 132 of the second coupling unit 122 and a positive terminal 162 of the second battery cell group 1 12 are interconnected.
  • the battery double module 110 includes a first terminal 181, which is connected to the output 151 of the first coupling unit 121. Symmetrically, a second terminal 182 is connected to the output 152 of the second coupling unit 122. Between the two terminals 181, 182 is depending on the control of the two
  • Coupling units 121, 122 tapped off a voltage which a single voltage of the first or the second battery cell group 1 1 1, 1 12, a sum of the two
  • Coupling unit 121 Coupling unit 121, a negative pole 171 of the first battery cell group 1 1 1, the first input 132 of the second coupling unit 122 and a positive pole 162 of the second
  • Battery cell group 1 12 are connected to a center tap 150, to which an additional potential can be tapped, which is different from those at the
  • Terminals 181, 182 can distinguish tangible potentials. This in the middle of the battery double module 1 10 tapped potential can be used for example for the supply of a multi-level inverter.
  • FIG. 9 shows a first embodiment of the battery according to the invention which has n battery module strings 50-1 to 50-n.
  • Battery module string 50-1 to 50-n has a plurality of
  • Battery double module 1 10 contains the same number of battery cells connected in an identical manner.
  • One pole of each battery module string may be connected to a corresponding pole of the other battery module strings, which is indicated by a dashed line in FIG.
  • a dashed line in FIG.
  • Battery module string each number of battery double modules 1 10 greater than 1 and one battery each number of battery module strings included. Also, at the poles of the battery module strings additionally charging and disconnecting devices may be provided as in Figure 2, if required by safety regulations.
  • FIG. 10 shows a drive system with a further embodiment of the battery according to the invention.
  • the battery has three battery module strings 50-1, 50-2 and 50-3, each directly to a
  • the battery of the invention preferably has exactly three battery module strings.
  • 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 either all battery double modules 1 10 a
  • Battery module strings either 0 V or the full output voltage of the
  • Battery module strings available.
  • suitable control as in a pulse inverter for example by pulse width modulation, so suitable 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 pulse inverters and batteries and increase the reliability of the
  • a further advantage of the battery with integrated pulse inverter is that it can be constructed very easily modularly from individual battery double modules with integrated coupling units. As a result, the use of identical parts (modular principle) is possible.

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Abstract

Es wird ein Batteriedoppelmodul (110) mit einer ersten und einer zweiten Batteriezellgruppe (111, 112) beschrieben, wobei die erste und die zweite Batteriezellgruppe (111, 112) in Reihe geschaltet sind und jeweils wenigstens eine Batteriezelle (41), vorzugsweise eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, umfassen. Das Batteriedoppelmodul (110) umfasst eine erste und eine zweite Koppeleinheit (121, 122), wobei die erste und die zweite Koppeleinheit (121, 122) jeweils einen ersten Eingang (131, 132), einen zweiten Eingang (141, 142) und einen Ausgang (151, 152) umfassen und jeweils dazu ausgebildet sind, auf ein Steuersignal hin den ersten Eingang (131, 132) oder den zweiten Eingang (141, 142) mit dem Ausgang (151, 152) zu verbinden, und wobei der erste Eingang (131) der ersten Koppeleinheit (121) mit einem Pluspol (161) der ersten Batteriezellgruppe (111) verbunden ist, der zweite Eingang (142) der zweiten Koppeleinheit (122) mit einem Minuspol (172) der zweiten Batteriezellgruppe (112) verbunden ist, und wobei der zweite Eingang (141) der ersten Koppeleinheit (121), ein Minuspol (171) der ersten Batteriezellgruppe (111), der erste Eingang (132) der zweiten Koppeleinheit (122) und ein Pluspol (162) der zweiten Batteriezellgruppe (112) miteinander verbunden sind.

Description

Beschreibung Titel
Batteriedoppelmodul
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriedoppelmodul und eine Batterie mit einem solchen Batteriedoppelmodul.
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 1 1 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 1 1 muss groß 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 Kapazität nur unter hohen Kosten und mit hohem Raumbedarf realisiert werden.
Figur 2 zeigt die Batterie 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 14, 15
abzutrennen, um letztere 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 1 1 , wenn die Batterie an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen wird. Hierzu wird zunächst das Schütz 18 offen gelassen und nur das Ladeschütz 20 geschlossen. Erreicht die Spannung am positiven Batterieterminal 14 die
Spannung der Batteriezellen, kann das Schütz 18 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. Die Serienschaltung einer hohen Zahl von Batteriezellen bringt neben der hohen Gesamtspannung das Problem mit sich, dass die gesamte Batterie ausfällt, wenn eine einzige Batteriezelle ausfällt, weil der Batteriestrom wegen der
Serienschaltung in allen Batteriezellen fließen können muss. Ein solcher Ausfall der Batterie kann zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen. Bei einem
Elektrofahrzeug führt ein Ausfall der Antriebsbatterie zu einem so genannten
Liegenbleiber, bei anderen Vorrichtungen wie zum Beispiel der
Rotorblattverstellung bei Windkraftanlagen bei starkem Wind kann es sogar zu sicherheitsgefährdenden Situationen kommen. Daher ist eine hohe
Zuverlässigkeit der Batterie vorteilhaft. Gemäß Definition bedeutet der Begriff
„Zuverlässigkeit" die Fähigkeit eines Systems, für eine vorgegebene Zeit korrekt zu arbeiten.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Batteriedoppelmodul zur Verfügung gestellt, welches eine erste und eine zweite Batteriezellgruppe umfasst. Die erste und die zweite
Batteriezellgruppe sind in Reihe geschaltet und umfassen jeweils wenigstens eine Batteriezelle, vorzugsweise eine Lithium-Ionen-Batteriezelle. Das Batteriedoppelmodul umfasst des Weiteren eine erste und eine zweite Koppeleinheit. Beide Koppeleinheiten umfassen jeweils einen ersten Eingang, einen zweiten Eingang sowie einen Ausgang. Die beiden Koppeleinheiten sind jeweils dazu ausgebildet, auf ein Steuersignal hin den ersten Eingang oder den zweiten Eingang mit dem Ausgang zu verbinden. Der erste Eingang der ersten Koppeleinheit ist mit einem Pluspol der ersten Batteriezellgruppe verbunden. Der zweite Eingang der zweiten Koppeleinheit ist mit einem Minuspol der zweiten Batteriezellgruppe verbunden. Schließlich sind der zweite Eingang der ersten Koppeleinheit, ein Minuspol der ersten Batteriezellgruppe, der erste Eingang der zweiten Koppeleinheit und ein Pluspol der zweiten Batteriezellgruppe miteinander verbunden.
Die beiden unabhängig voneinander ansteuerbaren Koppeleinheiten ermöglichen es, eine oder mehrere Batteriezellen, welche der ersten oder der zweiten
Batteriezellgruppe zugeordnet sind, so an die Ausgänge der beiden Koppeleinheiten zu koppeln, dass entweder die Summe der von den beiden Batteriezellgruppen erzeugten Spannung, eine von jeweils einer Batteriezellgruppe erzeugten Einzelspannung oder eine Spannung von 0 Volt von außen sichtbar ist. Die Zuverlässigkeit eines Batteriesystems kann somit gegenüber dem in Figur 1 dargestellten massiv erhöht werden, weil der Ausfall einer einzelnen Batteriezelle nicht unmittelbar zum Ausfall des Batteriesystems führt. Die Koppeleinheiten können jeweils einen Wechselschalter aufweisen, welcher ausgebildet ist, auf das Steuersignal hin entweder den ersten Eingang oder den zweiten Eingang mit dem Ausgang zu verbinden. Alternativ können die
Koppeleinheiten jeweils einen ersten Schalter, welcher zwischen den ersten
Eingang und den Ausgang geschaltet ist, und einen zweiten Schalter, welcher zwischen den zweiten Eingang und den Ausgang geschaltet ist, aufweisen. Eine solche Ausführung der Koppeleinheiten eignet sich besonders gut für eine
Realisierung mit Halbleiterschaltern, wobei der erste Schalter und/oder der
zweite Schalter bevorzugt als Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor
(MOSFET)-Schalter oder Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)-Schalter
ausgebildet sind.
Typischerweise ist ein erstes Terminal des Batteriedoppelmoduls mit dem Ausgang der ersten Koppeleinheit verbunden. Ebenso ist ein zweites Terminal des
Batteriedoppelmoduls mit dem Ausgang der zweiten Koppeleinheit verbunden. An den beiden Terminals liegt dann je nach Ansteuerung der beiden Koppeleinheiten eine stufig einstellbare Ausgangsspannung an.
Bevorzugt ist, dass die erste und die zweite Batteriezellgruppe jeweils die gleiche Anzahl von Batteriezellen umfassen.
Der zweite Eingang der ersten Koppeleinheit und der erste Eingang der zweiten Koppeleinheit können mit einem Mittelabgriff des Batteriemoduls verbunden sein, an welchem extern ein weiteres Potential abgreifbar ist, welches sich von den an den beiden Terminals des Batteriemoduls anliegenden Potentialen unterscheiden kann.
Ein zweiter Erfindungsaspekt führt eine Batterie, vorzugsweise eine
Lithium-Ionen-Batterie, mit einem oder mehreren, vorzugsweise genau drei,
Batteriemodulsträngen ein. Dabei umfasst ein Batteriemodulstrang eine Mehrzahl von in Serie geschalteten erfindungsgemäßen Batteriedoppelmodulen. Die
Batterie weist ferner eine Steuereinheit auf, welche ausgebildet ist, das Steuersignal für die jeweiligen Koppeleinheiten zu erzeugen und an die
Koppeleinheiten auszugeben.
Weisen die jeweiligen Koppeleinheiten, wie oben beschrieben, erste und zweite Schalter auf, kann die Steuereinheit ausgebildet sein, entweder den ersten
Schalter einer ausgewählten Koppeleinheit zu schließen und den zweiten Schalter der ausgewählten Koppeleinheit zu öffnen, oder den ersten Schalter der ausgewählten Koppeleinheit zu öffnen und den zweiten Schalter der
ausgewählten Koppeleinheit zu schließen, oder den ersten und den zweiten Schalter der ausgewählten Koppeleinheit zu öffnen. Werden sowohl der erste und der zweite Schalter geöffnet, wird das Batteriedoppelmodul hochohmig, wodurch der Stromfluss in dem Batteriemodulstrang unterbrochen wird. Dies kann im Wartungsfall nützlich sein, wo beispielsweise alle Batteriedoppelmodule eines Batteriemodulstranges in den hochohmigen Zustand versetzt werden können, um gefahrlos ein defektes Batteriemodul austauschen zu können.
Dadurch werden die in Figur 2 gezeigten Schütze 18 und 19 des Standes der Technik überflüssig, da bereits die Koppeleinheiten die Möglichkeit bieten, die Batterie an ihren beiden Polen spannungsfrei zu schalten. Ein dritter Erfindungsaspekt betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen
Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeuges und einer mit dem
elektrischen Antriebsmotor verbundenen Batterie gemäß dem vorhergehenden Erfindungsaspekt. 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, die in dem erfindungsgemäßen Batteriedoppelmodul einsetzbar ist, Figur 4 eine erste Ausführungsform der Koppeleinheit,
Figur 5 eine zweite Ausführungsform der Koppeleinheit,
Figur 6 und 7 zwei Anordnungen der Koppeleinheit in einem Batteriemodul,
Figur 8 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Batteriedoppelmoduls,
Figur 9 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie, und
Figur 10 ein Antriebssystem mit einer weiteren Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Batterie.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 3 zeigt eine Koppeleinheit 30, die in dem erfindungsgemäßen
Batteriedoppelmodul einsetzbar ist. Die Koppeleinheit 30 besitzt zwei Eingänge 31 und 32 sowie einen Ausgang 33 und ist ausgebildet, einen der Eingänge 31 oder 32 mit dem Ausgang 33 zu verbinden und den anderen abzukoppeln. Bei bestimmten Ausführungsformen der Koppeleinheit kann diese außerdem ausgebildet sein, beide Eingänge 31 , 32 vom Ausgang 33 abzutrennen. Nicht vorgesehen ist jedoch, sowohl den Eingang 31 als auch den Eingang 32 mit dem Ausgang 33 zu verbinden.
Figur 4 zeigt eine erste Ausführungsform der Koppeleinheit 30, welche über einen Wechselschalter 34 verfügt, welcher prinzipiell nur einen der beiden Eingänge 31 , 32 mit dem Ausgang 33 verbinden kann, während der jeweils andere Eingang 31 , 32 vom Ausgang 33 abgekoppelt wird. Der Wechselschalter 34 kann besonders einfach als elektromechanischer Schalter realisiert werden.
Figur 5 zeigt eine zweite Ausführungsform der Koppeleinheit 30, bei der ein erster und ein zweiter Schalter 35 beziehungsweise 36 vorgesehen sind. Jeder der Schalter 35, 36 ist zwischen einen der Eingänge 31 beziehungsweise 32 und den Ausgang 33 geschaltet. Im Gegensatz zu der Ausführungsform von Figur 4 bietet diese Ausführungsform den Vorteil, dass auch beide Eingänge 31 , 32 vom Ausgang 33 abgekoppelt werden können, so dass der Ausgang 33 hochohmig wird. Zudem können die Schalter 35, 36 einfach als Halbleiterschalter wie zum
Beispiel Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET)-Schalter oder
Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)-Schalter verwirklicht werden.
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 Steuersignales reagieren kann und hohe Umschaltraten erreichbar sind.
Die Figuren 6 und 7 zeigen zwei Anordnungen der Koppeleinheit 30 in einem
(einzelnen) Batteriemodul 40. Eine Mehrzahl von Batteriezellen 41 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. Im Beispiel der Figur 6 sind der Ausgang der Koppeleinheit 30 mit einem ersten
Terminal 42 und der negative Pol der Batteriezellen 41 mit einem zweiten
Terminal 43 verbunden. Es ist jedoch eine spiegelbildliche Anordnung wie in
Figur 7 möglich, bei der der positive Pol der Batteriezellen 41 mit dem ersten
Terminal 42 und der Ausgang der Koppeleinheit 30 mit dem zweiten Terminal 43 verbunden sind.
Bei dem Zusammensetzen von Batteriemodulen 40 zu einem Batteriesystem wird jeweils das erste Terminal 42 eines Batteriemoduls 40 mit dem zweiten Terminal 43 eines darüber angeordneten (benachbarten) Batteriemoduls 40 verbunden. Werden jeweils nur Batteriemodule 40 gemäß der Ausführungsform von Figur 6 oder von Figur 7 aneinander gereiht, muss immer ein Pol der Batteriezellen 41 mit dem Ausgang einer Koppeleinheit 30 verbunden werden, was zu einer aufwendigen Verkabelung und einer Vielzahl an einzelnen Batteriemodulen 40 führt.
Daher ist erfindungsgemäß vorgesehen, die beiden einzelnen in Figur 6
beziehungsweise Figur 7 dargestellten Batteriemodule in einem Batteriedoppelmodul zusammenzuführen, wodurch der Verbindungs- und Verkabelungsaufwand drastisch gesenkt werden kann. Insbesondere können alle Batteriezellen der beiden beteiligten einzelnen Batteriemodule 40 zusammengefasst werden. Insgesamt wird der
Verkabelungsaufwand innerhalb eines Batteriesystems auf diese Weise halbiert.
Figur 8 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Batteriedoppelmoduls 1 10. Das Batteriedoppelmodul 1 10 umfasst eine erste und eine zweite Batteriezellgruppe 1 1 1 , 1 12. Die beiden Batteriezellgruppen 1 1 1 , 1 12 sind in Reihe geschaltet und umfassen jeweils wenigstens eine Batteriezelle 41 . Das
Batteriedoppelmodul 1 10 umfasst außerdem eine erste und eine zweite Koppeleinheit 121 , 122. Die beiden Koppeleinheiten 121 , 122 können wie in Figur 3 bis 5 dargestellt ausgeführt sein. Sie umfassen jeweils einen ersten Eingang 131 , 132, einen zweiten
Eingang 141 , 142 und einen Ausgang 151 , 152. Die beiden Koppeleinheiten 121 , 122 können jeweils so angesteuert werden, dass entweder ihr erster Eingang 131 , 132 oder ihr zweiter Eingang 141 , 142 mit ihrem Ausgang 151 , 152 verbunden wird. Der erste Eingang 131 der ersten Koppeleinheit 121 ist mit einem Pluspol 161 der ersten Batteriezellgruppe 1 1 1 verbunden. Symmetrisch dazu ist der zweite Eingang 142 der zweiten Koppeleinheit 122 mit einem Minuspol 172 der zweiten
Batteriezellgruppe 1 12 verbunden. Eine Senkung des Verbindungs- und
Verkabelungsaufwandes kommt dadurch zustande, dass der zweite Eingang 141 der ersten Koppeleinheit 121 , ein Minuspol 171 der ersten Batteriezellgruppe 1 1 1 , der erste Eingang 132 der zweiten Koppeleinheit 122 und ein Pluspol 162 der zweiten Batteriezellgruppe 1 12 miteinander verbunden sind.
Das Batteriedoppelmodul 1 10 umfasst ein erstes Terminal 181 , welches mit dem Ausgang 151 der ersten Koppeleinheit 121 verbunden ist. Symmetrisch dazu ist ein zweites Terminal 182 mit dem Ausgang 152 der zweiten Koppeleinheit 122 verbunden. Zwischen den beiden Terminals 181 , 182 ist je nach Ansteuerung der beiden
Koppeleinheiten 121 , 122 eine Spannung abgreifbar, welche einer Einzelspannung der ersten oder der zweiten Batteriezellgruppe 1 1 1 , 1 12, einer Summe der beiden
Einzelspannungen oder 0 Volt entspricht. Der zweite Eingang 141 der ersten
Koppeleinheit 121 , ein Minuspol 171 der ersten Batteriezellgruppe 1 1 1 , der erste Eingang 132 der zweiten Koppeleinheit 122 und ein Pluspol 162 der zweiten
Batteriezellgruppe 1 12 sind mit einem Mittelabgriff 150 verbunden, an welchem ein zusätzliches Potential abgegriffen werden kann, welches sich von den an den
Terminals 181 , 182 abgreifbaren Potentialen unterscheiden kann. Dieses in der Mitte des Batteriedoppelmoduls 1 10 abgreifbare Potential kann beispielsweise für die Speisung eines Multi-Level-Inverters verwendet werden.
Eine Ansteuerung und Diagnose der Koppeleinheiten 121 , 122 erfolgt über eine Signalleitung 191 , welche mit einem nicht dargestellten Steuergerät verbunden ist.
Figur 9 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie, welche über n Batteriemodulstränge 50-1 bis 50-n verfügt. Jeder
Batteriemodulstrang 50-1 bis 50-n weist eine Mehrzahl von
Batteriedoppelmodulen 1 10 auf, wobei vorzugsweise jeder Batteriemodulstrang
50-1 bis 50-n dieselbe Anzahl von Batteriedoppelmodulen 1 10 und jedes
Batteriedoppelmodul 1 10 dieselbe Anzahl von Batteriezellen in identischer Weise verschaltet enthält. Ein Pol eines jeden Batteriemodulstranges kann mit einem entsprechenden Pol der anderen Batteriemodulstränge verbunden sein, was durch eine gestrichelte Linie in Figur 9 angedeutet ist. Generell kann ein
Batteriemodulstrang jede Zahl von Batteriedoppelmodulen 1 10 größer 1 und eine Batterie jede Zahl von Batteriemodulsträngen enthalten. Auch können an den Polen der Batteriemodulstränge zusätzlich Lade- und Trenneinrichtungen wie bei Figur 2 vorgesehen sein, wenn Sicherheitsbestimmungen dies erfordern.
Allerdings sind solche Trenneinrichtungen erfindungsgemäß nicht notwendig, weil eine Abkopplung der Batteriezellen von den Batterieanschlüssen durch die in den Batteriedoppelmodulen 1 10 enthaltenen Koppeleinheiten 121 , 122 erfolgen kann. Figur 10 zeigt ein Antriebssystem mit einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie. Im gezeigten Beispiel besitzt die Batterie drei Batteriemodulstränge 50-1 , 50-2 und 50-3, welche jeweils direkt an einen
Eingang eines Antriebsmotors 13 angeschlossen sind. Da die meisten
verfügbaren Elektromotoren auf einen Betrieb mit drei Phasen 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 entweder alle Batteriedoppelmodule 1 10 eines
Batteriemodulstranges aktiviert oder deaktiviert, stehen am Ausgang des
Batteriemodulstranges entweder 0 V oder die volle Ausgangsspannung des
Batteriemodulstranges zur Verfügung. Durch geeignete Ansteuerung wie bei einem Pulswechselrichter, beispielsweise durch Pulsweitenmodulation, können so geeignete 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 121 , 122) 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 des
Gesamtsystems sowie die Lebensdauer der Batterie.
Ein weiterer Vorteil der Batterie mit integriertem Pulswechselrichter ist, dass sie sehr einfach modular aus einzelnen Batteriedoppelmodulen mit integrierten Koppeleinheiten aufgebaut werden kann. Dadurch wird die Verwendung von Gleichteilen (Baukastenprinzip) möglich.

Claims

Ansprüche
1 . Batteriedoppelmodul (1 10) mit einer ersten und einer zweiten
Batteriezellgruppe (1 1 1 , 1 12), wobei die erste und die zweite
Batteriezellgruppe (1 1 1 , 1 12) in Reihe geschaltet sind und jeweils wenigstens eine Batteriezelle (41 ), vorzugsweise eine
Lithium-Ionen-Batteriezelle, umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriedoppelmodul (1 10) eine erste und eine zweite Koppeleinheit (121 , 122) umfasst, wobei die erste und die zweite Koppeleinheit (121 , 122) jeweils einen ersten Eingang (131 , 132), einen zweiten Eingang (141 , 142) und einen Ausgang (151 , 152) umfassen und jeweils dazu ausgebildet sind, auf ein Steuersignal hin den ersten Eingang (131 , 132) oder den zweiten Eingang (141 , 142) mit dem Ausgang (151 , 152) zu verbinden, und wobei der erste Eingang (131 ) der ersten Koppeleinheit (121 ) mit einem Pluspol
(161 ) der ersten Batteriezellgruppe (1 1 1 ) verbunden ist, der zweite Eingang (142) der zweiten Koppeleinheit (122) mit einem Minuspol (172) der zweiten Batteriezellgruppe (1 12) verbunden ist, und wobei der zweite Eingang (141 ) der ersten Koppeleinheit (121 ), ein Minuspol (171 ) der ersten
Batteriezellgruppe (1 1 1 ), der erste Eingang (132) der zweiten Koppeleinheit (122) und ein Pluspol (162) der zweiten Batteriezellgruppe (1 12) miteinander verbunden sind.
2. Batteriedoppelmodul (1 10) gemäß Anspruch 1 , wobei die erste und/oder die zweite Koppeleinheit (121 , 122) einen Wechselschalter (34) umfassen, welcher ausgebildet ist, auf das Steuersignal hin entweder den ersten Eingang (131 , 132) oder den zweiten Eingang (141 , 142) mit dem Ausgang (151 , 152) zu verbinden.
3. Batteriedoppelmodul (1 10) gemäß Anspruch 1 , wobei die erste und/oder die zweite Koppeleinheit (121 , 122) einen ersten Schalter (35), welcher zwischen den ersten Eingang (131 , 132) und den Ausgang (151 , 152) geschaltet ist, und einen zweiten Schalter (36), welcher zwischen den zweiten Eingang (141 , 142) und den Ausgang (151 , 152) geschaltet ist, umfassen.
Batteriedoppelmodul (1 10) gemäß Anspruch 3, wobei der erste Schalter (35) und/oder der zweite Schalter (36) als Halbleiterschalter, vorzugsweise als Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET)-Schalter oder
Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)-Schalter ausgebildet sind. 5. Batteriedoppelmodul (1 10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein erstes Terminal (181 ) des Batteriedoppelmoduls (1 10) mit dem Ausgang (151 ) der ersten Koppeleinheit (121 ) und/oder ein zweites Terminal (182) des Batteriedoppelmoduls (1 10) mit dem Ausgang (152) der zweiten Koppeleinheit (122) verbunden sind.
6. Batteriedoppelmodul (1 10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und die zweite Batteriezellgruppe (1 1 1 , 1 12) jeweils die gleiche Anzahl von Batteriezellen (41 ) umfassen.
Batteriedoppelmodul (1 10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Eingang (141 ) der ersten Koppeleinheit (121 ) und der erste Eingang (132) der zweiten Koppeleinheit (122) mit einem Mittelabgriff (150) des Batteriedoppelmoduls (1 10) verbunden sind. 8. Batterie mit einem oder mehreren, vorzugsweise genau drei,
Batteriemodulsträngen (50), wobei ein Batteriemodulstrang (50) eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriedoppelmodulen (1 10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst, und einer Steuereinheit, welche ausgebildet ist, das Steuersignal für die ersten und die zweiten Koppeleinheiten (121 , 122) zu erzeugen und an diese auszugeben.
Batterie gemäß Anspruch 8, wobei die ersten und die zweiten
Koppeleinheiten (121 , 122) gemäß einem der Ansprüche 3 oder 4 ausgebildet sind und bei der die Steuereinheit ausgebildet ist, entweder den ersten Schalter (35) einer ausgewählten Koppeleinheit (121 , 122) zu schließen und den zweiten Schalter (36) der ausgewählten Koppeleinheit (121 , 122) zu öffnen, oder den ersten Schalter (35) der ausgewählten Koppeleinheit (121 , 122) zu öffnen und den zweiten Schalter (36) der ausgewählten Koppeleinheit (121 , 122) zu schließen, oder den ersten und den zweiten Schalter (35, 36) der ausgewählten Koppeleinheit (121 , 122) zu öffnen.
Ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor (13) zum Antreiben des Kraftfahrzeuges und einer mit dem elektrischen Antriebsmotor (13) verbundenen Batterie gemäß einem der Ansprüche 8 bis 9.
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