WO2013010837A1 - Verfahren zum laden einer batterie und batterie zur ausführung des verfahrens - Google Patents

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WO2013010837A1
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battery
terminal
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battery module
charging
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PCT/EP2012/063360
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Ralph Schmidt
Joachim Fetzer
Stefan Butzmann
Holger Fink
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Sb Limotive Germany Gmbh
Sb Limotive Company Ltd.
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Definitions

  • the present invention relates to a method for charging a battery having at least one battery module string, in which a battery module in
  • Battery module string comprises a coupling unit, and a battery in which the inventive method is executable.
  • 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 unit, 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 DC voltage connected, which by a
  • a pulse inverter 12 Connected DC voltage intermediate circuit is a pulse inverter 12, which provides over two switchable semiconductor valves and two diodes at three taps 14-1, 14-2, 14-3 against each other phase-shifted sinusoidal currents for the operation of an electric drive motor 13. The capacity of the pulse inverter 12, which provides over two switchable semiconductor valves and two diodes at three taps 14-1, 14-2, 14-3 against each other phase-shifted sinusoidal currents for the operation of an electric drive motor 13. The capacity of the
  • DC link capacitor 1 1 must be large enough to stabilize the voltage in the DC intermediate circuit for a period in which one of the switchable semiconductor valves is turned on. In a practical application such as an electric vehicle results in a high capacity in the
  • FIG. 2 shows such a charging process according to the prior art
  • the invention therefore provides a method for charging a battery.
  • the battery includes at least one battery module string having a plurality of battery modules connected in series.
  • Each of the battery modules connected in series comprises at least one battery cell, at least one coupling unit, a first terminal and a second terminal and is designed to be a function of a
  • Control of the coupling unit to take one of at least two switching states.
  • the first terminal and the second terminal of the battery module are connected in a first switching state, and in a second switching state, the at least one battery cell is connected between the first terminal and the second terminal.
  • the method comprises a step in which
  • Battery modules is taken in response to the control of the coupling unit.
  • each battery module is designed to selectively connect the first connection and the second connection of the battery module or to switch the at least one battery cell between the first connection and the second connection, depending on activation of the coupling unit. This defines two different switching states.
  • at least one battery module can be configured to switch the at least one battery cell between the first terminal and the second terminal, wherein a polarity of the voltage applied between the first terminal and the second terminal voltage in response to a control of the coupling unit is selectable. This results in a total of three switching states.
  • the inventive method, the charging of the battery or the individual battery modules is simplified. In particular, it is possible to
  • the battery modules may also include battery cells of different capacity and different states of charge.
  • a shorter charging time and lower charging losses are achieved.
  • the switching state to be adopted in each of the battery modules is determined by a control unit and the coupling units are controlled by the control unit.
  • a charger connects to two charging ports of the battery
  • the first switching state taken when a voltage applied between the first terminal and the second terminal of the battery module
  • Battery module are connected, the latter is thus bridged and not charged further. It is preferred that the charging process is terminated as soon as the first switching state is assumed by all battery modules.
  • Another aspect of the invention relates to a battery, preferably a
  • Lithium-ion battery which comprises at least one battery module string having the properties described above, so that the inventive method can be performed in the battery.
  • a further aspect of the invention relates to a control device which is designed to set switching states to be adopted in each of the battery modules of the battery according to the invention and to control the coupling units in the battery such that the method according to the invention can be carried out.
  • the control unit is part of the battery according to the invention.
  • FIG. 3 shows a coupling unit which is used in the method according to the invention
  • FIG. 4 shows a first embodiment of the coupling unit
  • FIG. 5 shows a second embodiment of the coupling unit
  • Figure 6 shows the second embodiment of the coupling unit in a simple
  • FIGS. 7 and 8 show two arrangements of the coupling unit in a battery module
  • FIG. 9 shows the coupling unit shown in FIG. 6 in the arrangement shown in FIG. 7,
  • FIG. 10 shows an electric drive unit with three battery module strings
  • FIG. 11 shows a control of the electric drive unit shown in FIG. 10 by a control unit
  • FIG. 12 shows an embodiment of the coupling unit, which makes it possible to apply a voltage with selectable polarity between the terminals of a battery module
  • FIG. 13 shows an embodiment of the battery module with the coupling unit shown in FIG. 12, and FIG.
  • FIGS 14 and 15 a charging process according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 3 shows a coupling unit 30 which can be used in the method according to the invention.
  • the coupling unit 30 has two inputs 31 and 32 and an output 33 and is adapted 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.
  • Figure 4 shows a first embodiment of the coupling unit 30, which has a changeover switch 34, which in principle only one of the two Inputs 31, 32 can connect to the output 33, while the 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 is connected between one of the inputs 31 and 32 and the output 33.
  • this embodiment has the advantage that both inputs 31, 32 can be disconnected from the output 33, so that the output 33 is high impedance.
  • the switches 35, 36 can be easily realized as semiconductor switches such as Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) switches or Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) switches.
  • MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
  • IGBT 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. 6 shows the second embodiment of the coupling unit in a simple semiconductor circuit, in which each of the switches 35, 36 consists of a semiconductor valve which can be switched on and off and a diode connected in anti-parallel with it.
  • FIGS. 7 and 8 show two arrangements of the coupling unit 30 in a battery module 40.
  • a plurality of battery cells 41 are connected in series between the inputs of a coupling unit 30.
  • 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.
  • the output of the coupling unit 30 is connected to a first terminal 42 and the negative pole of the battery cells 41 to a second terminal 43.
  • a mirror-image arrangement as in FIG. 8 is possible, in which the positive pole of the battery cells 41 is connected to the first terminal 42 and the output of the coupling unit 30 to the second terminal 43.
  • FIG. 9 shows the coupling unit 30 shown in FIG. 6 in the arrangement shown in FIG. A control and diagnosis of the coupling units 30 via a signal line 44, which is connected to a control unit, not shown. Overall, it is possible to set either 0 volts or a voltage U m0d between the terminals 42 and 43 of the battery module 40 .
  • FIG. 10 shows an electric drive unit with an electric motor 13, whose three phases are connected to three battery module strings 50-1, 50-2, 50-3.
  • Each of the three battery module strings 50-1, 50-2, 50-3 consists of a plurality of series-connected battery modules 40-1, 40-n, each comprising a coupling unit 30 and constructed as shown in Figure 7 or 8.
  • the first terminal 42 of a battery module 40-1, 40-n is respectively connected to the second terminal 43 of an adjacent battery module 40-1, 40-n connected. In this way, a stepped output voltage can be generated in each of the three battery module strings 50-1, 50-2, 50-3.
  • a control unit 60 shown in FIG. 11 is designed to output a first control signal to a variable number of battery modules 40-1, 40-n in m battery module strings 50-1, 50-2,... 50-m via a data bus 61 , by which the coupling units 30 of the battery modules so controlled
  • the control unit 60 outputs to the remaining battery modules 40-1, 40-n a second control signal, by means of which the coupling units 30 of these remaining battery modules 40-1, 40-n, the first terminal 42 and the second terminal 43 of the respective
  • Battery module 40-1, 40-n connect, whereby its battery cells 41 are bridged.
  • the battery modules used in one of the battery module module strings 50-1, 50-2,... 50-m are provided that the battery modules used in one of the battery module module strings 50-1, 50-2,... 50-m
  • 40-1, 40-n are designed to switch their battery cells 41 between the first terminal 42 and the second terminal 43 in such a way that one polarity of the voltage applied between the first terminal 42 and the second terminal 43 is dependent on activation of the coupling unit is selectable.
  • FIG. 12 shows an embodiment of the coupling unit 70 which makes this possible and in which a first, a second, a third and a fourth switch 75, 76, 77 and 78 are provided.
  • the first switch 75 is connected between a first input 71 and a first output 73, the second one
  • Switch 76 is connected between a second input 72 and a second output 74, the third switch 77 between the first input 71 and the second output 74 and the fourth switch 78 between the second input 72 and the first output 73.
  • FIG. 13 shows an embodiment of the battery module 40 with the coupling unit shown in FIG.
  • the first output of the coupling unit 70 is connected to the first terminal 42 and the second output of the coupling unit 70 to the second terminal 43 of the battery module 40.
  • the thus constructed battery module 40 has the advantage that the battery cells 41 through the
  • Coupling unit 70 can be connected in a selectable polarity with the terminals 42, 43, so that an output voltage of different signs can be generated. It may also be possible, for example, by closing the switches 76 and 78 and simultaneously opening the switches 75 and 77 (or by opening the switches 76 and 78 and closing the
  • the battery illustrated in FIG. 10 comprises only one battery module string 50, but the method according to the invention can also be applied without problems to a plurality of battery module strings.
  • the battery module string 50 includes the battery modules 40-1, 40-n, which are constructed according to the arrangement shown in Figure 9.
  • the battery modules can also be easily constructed according to the other arrangements described above, in particular according to the arrangement shown in Figure 13.
  • the battery 10 is charged by a total of 80 designated charger, which is connected via charging terminals 81, 82 to the battery 10, more specifically to the battery module string 50, and supplies this via an inductance L with a constant charging voltage.
  • the charger 80 is no
  • Each of the battery modules 40-1, 40-n can take one of two switching states by suitable control of their coupling elements 30, 70 by the control device 60, not shown in FIG. This is done analogously to the procedure described in the description of FIG. In a first
  • Charging process can not be charged.
  • the battery cell or cells 41 are / are connected between the first terminal 42 and the second terminal 43, so that a charging current can flow through them and charge them.
  • all battery modules 40-1, 40-n are in the second switching state and are thus charged.
  • Voltage threshold exceeds is determined by the controller 60 that the battery module in question has to take the first switching state and sends to the coupling unit 30, 70 a
  • FIG. 15 shows, analogously to FIG. 2, a charging process according to FIG
  • the battery module which is charged faster than the other battery models, and the second temporal voltage waveform 21 of a battery module, which is charged slower.
  • the battery module which is charged faster than the other battery modules, reaches the predetermined one

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Laden einer Batterie (10) umfassend mindestens einen Batteriemodulstrang (50-1, 50-2, 50-3) mit einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen (40-1,..., 40-n) beschrieben. Jedes Batteriemodul (40-1,..., 40-n) umfasst wenigstens eine Batteriezelle (41), wenigstens eine Koppeleinheit (30, 70), einen ersten Anschluss (42) und einen zweiten Anschluss (43) und ist dazu ausgebildet, in Abhängigkeit einer Ansteuerung der Koppeleinheit (30, 70) einen von mindestens zwei Schaltzuständen einzunehmen, wobei in einem ersten Schaltzustand der erste Anschluss (42) und der zweite Anschluss (43) des Batteriemoduls (40-1,..., 40-n) verbunden sind und in einem zweiten Schaltzustand die wenigstens eine Batteriezelle (41) zwischen den ersten Anschluss (42) und den zweiten Anschluss (43) geschaltet ist.

Description

Beschreibung Titel
Verfahren zum Laden einer Batterie und Batterie zur Ausführung des Verfahrens
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden einer Batterie mit mindestens einem Batteriemodulstrang, bei dem ein Batteriemodul im
Batteriemodulstrang eine Koppeleinheit umfasst, sowie eine Batterie, in welcher das erfindungsgemäße Verfahren ausführbar ist.
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 einer üblichen elektrischen Antriebseinheit, wie sie 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
Zwischenkreiskondensator 1 1 gepuffert wird. An den
Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen ist ein Pulswechselrichter 12, der über jeweils zwei schaltbare Halbleiterventile und zwei Dioden an drei Abgriffen 14-1 , 14-2, 14-3 gegeneinander phasenversetzte Sinusströme für den Betrieb eines elektrischen Antriebsmotors 13 bereitstellt. Die Kapazität des
Zwischenkreiskondensators 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.
Nachteilig bei der in Figur 1 dargestellten Anordnung ist, dass im System enthaltene Batteriezellen oder -module von dem gleichen Strom durchflössen werden und somit nicht einzeln ansteuerbar sind. Es besteht daher keine
Möglichkeit, auf verschiedene Zustände von einzelnen Batteriezellen Einfluss zu nehmen.
Für den Austausch eines leeren Batteriesystems an Wechselstationen sind bereits Konzepte aus dem Stand der Technik bekannt. Der Vorteil bei einem
Austausch ist, dass ein Fahrer nach dem Tausch seines Batteriesystems in wenigen Minuten bereits wieder mit vollem Batteriesystem weiterfahren kann und er nicht auf das mehrere Stunden dauernde elektrische Aufladen seines
Batteriesystems warten muss. Nachteilig ist jedoch, dass zusätzlich zu individuellen Bauformen der Batteriesysteme verschiedener Automobilhersteller und sogar verschiedener Automodelle Wechselkonzepte mit den
unterschiedlichsten Steuerungs- und Überwachungstechniken sowie mit unterschiedlichen Konzepten der Leistungselektronik in Batteriesystemen zurechtkommen müssen.
Wird dagegen ein leeres Batteriesystem nicht ausgetauscht, sondern aufgeladen, so macht sich die Tatsache bemerkbar, dass darin die einzelnen Batteriezellen in Reihe geschaltet sind und somit beim Laden von demselben Strom durchflössen werden. Wenn alle Batteriezellen gleiche Zustände haben, wird so lange mit einem konstanten Strom geladen, bis die Ladeschlussspannung erreicht ist. Danach wird mit konstanter Spannung weitergeladen, bis der Ladestrom unter einen bestimmten Wert absinkt.
Figur 2 zeigt einen solchen Ladevorgang nach dem Stand der Technik und
insbesondere den Unterschied zwischen einem ersten zeitlichen
Spannungsverlauf 20 einer Batteriezelle, welche schneller aufgeladen wird als die übrigen Batteriezellen, und einem zweiten zeitlichen Spannungsverlauf 21 einer Batteriezelle, welche langsamer aufgeladen wird. In Zeitpunkten 22a, 22b und 22c wird der Ladevorgang beendet, da die Batteriezelle, welche schneller aufgeladen wird als die übrigen Batteriezellen, eine vorbestimmte
Maximalspannung erreicht. In diesen Zeitpunkten ist die eine Batteriezelle (oder mehrere) maximal geladen, während die übrigen Batteriezellen noch nicht ihre
Maximalladung erreicht haben. Während der Zeitintervalle 23a und 23b folgen somit Phasen, in welchen der Ladevorgang abgeschaltet ist und in welchen die maximal geladene Batteriezelle an Widerständen entladen wird (24), bis alle
Batteriezellen in den Zeitpunkten 25a, 25b wieder dasselbe Spannungsniveau haben. Der Ladevorgang wird dann wieder fortgesetzt, bis schließlich alle
Batteriezellen ihre Maximalladung erreicht haben. Insgesamt ist dieser
Ladevorgang sehr zeitintensiv.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird daher ein Verfahren zum Laden einer Batterie bereitgestellt. Die Batterie umfasst mindestens einen Batteriemodulstrang mit einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen. Jedes der in Serie geschalteten Batteriemodule umfasst wenigstens eine Batteriezelle, wenigstens eine Koppeleinheit, einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss und ist dazu ausgebildet, in Abhängigkeit einer
Ansteuerung der Koppeleinheit einen von mindestens zwei Schaltzuständen einzunehmen. Hierbei sind in einem ersten Schaltzustand der erste Anschluss und der zweite Anschluss des Batteriemoduls verbunden, und in einem zweiten Schaltzustand ist die wenigstens eine Batteriezelle zwischen den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss geschaltet. Das Verfahren umfasst einen Schritt, in welchem ein
einzunehmender Schaltzustand in jedem der Batteriemodule festgelegt wird, sowie einen Schritt, in welchem der festgelegte Schaltzustand durch jedes der
Batteriemodule in Abhängigkeit der Ansteuerung der Koppeleinheit eingenommen wird. Wie bereits ausgeführt, ist jedes Batteriemodul dazu ausgebildet, in Abhängigkeit einer Ansteuerung der Koppeleinheit wahlweise den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss des Batteriemoduls zu verbinden oder die wenigstens eine Batteriezelle zwischen den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss zu schalten. Hierdurch werden zwei verschiedene Schaltzustände definiert. Außerdem kann mindestens ein Batteriemodul dazu ausgebildet sein, die wenigstens eine Batteriezelle zwischen den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss zu schalten, wobei eine Polarität der zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss anliegenden Spannung in Abhängigkeit einer Ansteuerung der Koppeleinheit wählbar ist. Hierdurch entstehen insgesamt drei Schaltzustände.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird das Laden der Batterie beziehungsweise der einzelnen Batteriemodule vereinfacht. Insbesondere ist es möglich, die
verschiedenen Batteriemodule gleichzeitig aus einer Spannungsquelle heraus zu laden. Hierbei können die Batteriemodule auch Batteriezellen unterschiedlicher Kapazität und unterschiedlicher Ladezustände umfassen. Außerdem werden eine kürzere Ladezeit und geringere Verluste beim Laden erreicht.
Am Anfang eines Ladevorgangs wird üblicherweise durch mindestens eins der Batteriemodule und praktischerweise durch alle Batteriemodule der zweite
Schaltzustand eingenommen, in welchem der durch das jeweilige Batteriemodul fließende Strom die zwischen den Anschlüssen geschaltete Batteriezelle oder -zellen aufzuladen vermag.
Bevorzugt ist, dass der einzunehmende Schaltzustand in jedem der Batteriemodule durch ein Steuergerät festgelegt wird und die Koppeleinheiten durch das Steuergerät angesteuert werden.
Typischerweise wird ein Ladegerät an zwei Ladeanschlüsse der Batterie
angeschlossen, und diese über die zwei Ladeanschlüsse aufgeladen, bevorzugt mit einer konstanten Ladespannung.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung wird durch mindestens eins der
Batteriemodule der erste Schaltzustand eingenommen, wenn eine zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss des Batteriemoduls anliegende
Spannung einen vorbestimmten Spannungsschwellenwert überschreitet. Da in dem ersten Schaltzustand der erste Anschluss und der zweite Anschluss des
Batteriemoduls verbunden sind, wird letzteres somit überbrückt und nicht weiter aufgeladen. Bevorzugt ist, dass der Ladevorgang beendet wird, sobald durch alle Batteriemodule der erste Schaltzustand eingenommen wird.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Batterie, bevorzugt eine
Lithium-Ionen-Batterie, welche mindestens einen Batteriemodulstrang mit den oben beschriebenen Eigenschaften umfasst, so dass das erfindungsgemäße Verfahren in der Batterie ausgeführt werden kann.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Steuergerät, welches dazu ausgebildet ist, einzunehmende Schaltzustände in jedem der Batteriemodule der erfindungsgemäßen Batterie festzulegen und die Koppeleinheiten in der Batterie anzusteuern derart, dass das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Steuergerät Teil der erfindungsgemäßen Batterie.
Es wird zudem ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum
Antreiben des Kraftfahrzeuges und einer mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen erfindungsgemäßen Batterie angegeben.
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 eine elektrische Antriebseinheit gemäß dem Stand der Technik,
Figur 2 einen Ladevorgang gemäß dem Stand der Technik,
Figur 3 eine Koppeleinheit, die in dem erfindungsgemäßen Verfahren
verwendbar ist,
Figur 4 eine erste Ausführungsform der Koppeleinheit, Figur 5 eine zweite Ausführungsform der Koppeleinheit, Figur 6 die zweite Ausführungsform der Koppeleinheit in einer einfachen
Halbleiterschaltung,
Figur 7 und 8 zwei Anordnungen der Koppeleinheit in einem Batteriemodul,
Figur 9 die in Figur 6 dargestellte Koppeleinheit in der in Figur 7 dargestellten Anordnung,
Figur 10 eine elektrische Antriebseinheit mit drei Batteriemodulsträngen,
Figur 1 1 eine Ansteuerung der in Figur 10 gezeigten elektrischen Antriebseinheit durch ein Steuergerät,
Figur 12 eine Ausführungsform der Koppeleinheit, welche ermöglicht, dass zwischen den Anschlüssen eines Batteriemoduls eine Spannung mit wählbarer Polarität anliegt,
Figur 13 eine Ausführungsform des Batteriemoduls mit der in Figur 12 dargestellten Koppeleinheit, und
Figuren 14 und 15 einen Ladevorgang gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 3 zeigt eine Koppeleinheit 30, die in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendbar ist. Die Koppeleinheit 30 besitzt zwei Eingänge 31 und 32 sowie einen Ausgang 33 und ist dazu 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 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.
Figur 6 zeigt die zweite Ausführungsform der Koppeleinheit in einer einfachen Halbleiterschaltung, bei welcher jeder der Schalter 35, 36 aus jeweils einem ein- und ausschaltbaren Halbleiterventil und einer zu diesem antiparallel geschalteten Diode besteht.
Die Figuren 7 und 8 zeigen zwei Anordnungen der Koppeleinheit 30 in einem 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 7 sind der Ausgang der Koppeleinheit 30 mit einem ersten Anschluss 42 und der negative Pol der Batteriezellen 41 mit einem zweiten Anschluss 43 verbunden. Es ist jedoch eine spiegelbildliche Anordnung wie in Figur 8 möglich, bei der der positive Pol der Batteriezellen 41 mit dem ersten Anschluss 42 und der Ausgang der Koppeleinheit 30 mit dem zweiten Anschluss 43 verbunden sind. Figur 9 zeigt die in Figur 6 dargestellte Koppeleinheit 30 in der in Figur 7 dargestellten Anordnung. Eine Ansteuerung und Diagnose der Koppeleinheiten 30 erfolgt über eine Signalleitung 44, welche mit einem nicht dargestellten Steuergerät verbunden ist. Insgesamt ist es möglich, zwischen den Anschlüssen 42 und 43 des Batteriemoduls 40 entweder 0 Volt oder eine Spannung Um0d einzustellen.
Figur 10 zeigt eine elektrische Antriebseinheit mit einem elektrischen Motor 13, dessen drei Phasen mit drei Batteriemodulsträngen 50-1 , 50-2, 50-3 verbunden sind. Jeder der drei Batteriemodulstränge 50-1 , 50-2, 50-3 besteht aus einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen 40-1 , 40-n, die jeweils eine Koppeleinheit 30 umfassen und wie in Figur 7 oder 8 dargestellt aufgebaut sind. Bei dem Zusammensetzen von Batteriemodulen 40-1 , 40-n zu einem der Batteriemodulstränge 50-1 , 50-2, 50-3 wird jeweils der erste Anschluss 42 eines Batteriemoduls 40-1 , 40-n mit dem zweiten Anschluss 43 eines benachbarten Batteriemoduls 40-1 , 40-n verbunden. Auf diese Weise kann eine gestufte Ausgangsspannung in jedem der drei Batteriemodulstränge 50-1 , 50-2, 50-3 erzeugt werden.
Ein in Figur 1 1 gezeigtes Steuergerät 60 ist dazu ausgebildet, an eine variable Anzahl von Batteriemodulen 40-1 , 40-n in m Batteriemodulsträngen 50-1 , 50-2, ...50-m über einen Datenbus 61 ein erstes Steuersignal auszugeben, durch welches die Koppeleinheiten 30 der so angesteuerten Batteriemodule
40-1 , 40-n die Batteriezelle (beziehungsweise die Batteriezellen) 41 zwischen den ersten Anschluss 42 und den zweiten Anschluss 43 des jeweiligen
Batteriemoduls 40-1 , 40-n schalten. Gleichzeitig gibt das Steuergerät 60 an die restlichen Batteriemodule 40-1 , 40-n ein zweites Steuersignal aus, durch welches die Koppeleinheiten 30 dieser restlichen Batteriemodule 40-1 , 40-n den ersten Anschluss 42 und den zweiten Anschluss 43 des jeweiligen
Batteriemoduls 40-1 , 40-n verbinden, wodurch dessen Batteriezellen 41 überbrückt werden.
Durch geeignete Ansteuerung der Mehrzahl von Batteriemodulen 40-1 , 40-n in m Batteriemodulsträngen 50-1 , 50-2, ... 50-m können somit m sinusförmige Ausgangsspannungen erzeugt werden, die den elektrischen Motor 13 in der gewünschten Form ohne Einsatz eines zusätzlichen Pulswechselrichters ansteuern.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die in einem der m Batteriemodulstränge 50-1 , 50-2, ... 50-m verwendeten Batteriemodule
40-1 , 40-n dazu ausgebildet sind, ihre Batteriezellen 41 derart zwischen den ersten Anschluss 42 und den zweiten Anschluss 43 zu schalten, dass eine Polarität der zwischen dem ersten Anschluss 42 und dem zweiten Anschluss 43 anliegenden Spannung in Abhängigkeit einer Ansteuerung der Koppeleinheit wählbar ist.
Figur 12 zeigt eine Ausführungsform der Koppeleinheit 70, welche dies ermöglicht und bei welcher ein erster, ein zweiter, ein dritter und ein vierter Schalter 75, 76, 77 und 78 vorgesehen sind. Der erste Schalter 75 ist zwischen einen ersten Eingang 71 und einen ersten Ausgang 73 geschaltet, der zweite
Schalter 76 ist zwischen einen zweiten Eingang 72 und einen zweiten Ausgang 74, der dritte Schalter 77 zwischen den ersten Eingang 71 und den zweiten Ausgang 74 und der vierte Schalter 78 zwischen den zweiten Eingang 72 und den ersten Ausgang 73 geschaltet.
Die Figur 13 zeigt eine Ausführungsform des Batteriemoduls 40 mit der in Figur 12 dargestellten Koppeleinheit. Der erste Ausgang der Koppeleinheit 70 ist mit dem ersten Anschluss 42 und der zweite Ausgang der Koppeleinheit 70 mit dem zweiten Anschluss 43 des Batteriemoduls 40 verbunden. Das so aufgebaute Batteriemodul 40 hat den Vorteil, dass die Batteriezellen 41 durch die
Koppeleinheit 70 in einer wählbaren Polarität mit den Anschlüssen 42, 43 verbunden werden können, so dass eine Ausgangsspannung unterschiedlicher Vorzeichen erzeugt werden kann. Auch kann es möglich sein, beispielsweise durch Schließen der Schalter 76 und 78 und gleichzeitiges Öffnen der Schalter 75 und 77 (oder aber durch Öffnen der Schalter 76 und 78 sowie Schließen der
Schalter 75 und 77), die Anschlüsse 42 und 43 miteinander leitend zu verbinden und eine Ausgangsspannung von 0 V zu erzeugen. Insgesamt ist es somit möglich, zwischen den Anschlüssen 42 und 43 des Batteriemoduls 40 entweder 0 Volt, die Spannung Um0d oder die Spannung -Um0d einzustellen. Anhand der Figuren 14 und 15 wird im Folgenden ein Ladevorgang gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ladung der Batterie 10 beschrieben. Die in Figur 10 dargestellte Batterie umfasst lediglich einen Batteriemodulstrang 50, das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich aber auch problemlos auf eine Mehrzahl von Batteriemodulsträngen anwenden. Der Batteriemodulstrang 50 umfasst die Batteriemodule 40-1 , 40-n, welche gemäß der in Figur 9 gezeigten Anordnung aufgebaut sind. Die Batteriemodule können aber auch problemlos gemäß der übrigen oben beschriebenen Anordnungen aufgebaut sein, insbesondere gemäß der in Figur 13 gezeigten Anordnung. Die Batterie 10 wird durch ein insgesamt mit 80 bezeichnetes Ladegerät aufgeladen, welches über Ladeanschlüsse 81 , 82 mit der Batterie 10, genauer mit dem Batteriemodulstrang 50, verbunden ist und diesen über eine Induktivität L mit einer konstanten Ladespannung versorgt. Im Ladegerät 80 ist keine
Stromregelung notwendig, was den Aufbau des Ladegerätes erheblich vereinfacht.
Im Gegensatz zu der bei der Beschreibung der Figuren 3 bis 13 gemachten Annahme, dass durch geeignete Ansteuerung der Batteriemodule 40 an deren Anschlüssen 42 und 43 eine durch die Batteriezellen 41 erzeugte Spannung einstellbar ist, wird im Folgenden angenommen, dass die Batteriezellen 41 in der in Figur 14 gezeigten Batterie 10 zunächst entladen sind und somit keine Spannung liefern.
Jedes der Batteriemodule 40-1 , 40-n kann durch geeignete Ansteuerung ihrer Koppelelemente 30, 70 durch das in Figur 14 nicht dargestellte Steuergerät 60 einen von zwei Schaltzuständen einnehmen. Dies geschieht analog zu dem bei der Beschreibung von Figur 1 1 geschilderten Vorgehen. In einem ersten
Schaltzustand sind der erste Anschluss 42 und der zweite Anschluss 43 des jeweiligen Batteriemoduls 40-1 , 40-n verbunden, so dass letzteres überbrückt wird und dessen Batteriezelle oder Batteriezellen 41 während eines
Ladevorgangs nicht aufgeladen werden. In einem zweiten Schaltzustand wird/werden die Batteriezelle oder Batteriezellen 41 zwischen den ersten Anschluss 42 und den zweiten Anschluss 43 geschaltet, so dass durch sie ein Ladestrom fließen und sie aufladen kann. Am Anfang eines Ladevorgangs befinden sich alle Batteriemodule 40-1 , 40-n im zweiten Schaltzustand und werden somit aufgeladen. Sobald eines der Batteriemodule 40-1 , 40-2, 40-3 vollständig geladen ist, beispielsweise sobald eine zwischen dem ersten Anschluss 42 und dem zweiten Anschluss 43 des betreffenden Batteriemoduls anliegende Spannung einen vorbestimmten
Spannungsschwellenwert überschreitet, wird durch das Steuergerät 60 festgelegt, dass das betreffende Batteriemodul den ersten Schaltzustand einzunehmen hat und sendet an dessen Koppeleinheit 30, 70 ein
entsprechendes Steuersignal. Hierdurch wird das betreffende Batteriemodul überbrückt und nicht weiter aufgeladen. Sobald sich alle Batteriemodule 40-1 , 40-2, 40-3 im ersten Schaltzustand befinden, wird der Ladevorgang beendet.
Figur 15 zeigt analog zu Figur 2 einen Ladevorgang gemäß dem
erfindungsgemäßen Verfahren und wiederum den Unterschied zwischen dem ersten zeitlichen Spannungsverlauf 20 eines Batteriemoduls, welches schneller aufgeladen wird als die übrigen Batteriemodele, und dem zweiten zeitlichen Spannungsverlauf 21 eines Batteriemoduls, welches langsamer aufgeladen wird. In einem Zeitpunkt 22d erreicht das Batteriemodul, welches schneller aufgeladen wird als die übrigen Batteriemodule, den vorbestimmten
Spannungsschwellenwert. In diesem Zeitpunkt ist das eine Batteriemodul maximal geladen, während die übrigen Batteriemodule noch nicht ihre
Maximalladung erreicht haben. Im Gegensatz zu dem in Figur 2 dargestellten Vorgehen wird im Zeitpunkt 22d das betreffende Batteriemodul überbrückt und nicht weiter aufgeladen, der Gesamtladevorgang dagegen aber nicht
abgeschaltet, so dass insbesondere die Ladung des Batteriemoduls, welches langsamer aufgeladen wird, nicht unterbrochen wird. Hierdurch wird der
Ladevorgang im Vergleich zu dem in Figur 2 dargestellten Vorgehen um ein Zeitintervall Dt verkürzt.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zum Laden einer Batterie (10) umfassend mindestens einen
Batteriemodulstrang (50-1 , 50-2, 50-3) mit einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen (40-1 , 40-n), dadurch gekennzeichnet, dass jedes Batteriemodul (40-1 , 40-n) wenigstens eine Batteriezelle (41 ), wenigstens eine Koppeleinheit (30, 70), einen ersten Anschluss (42) und einen zweiten Anschluss (43) umfasst und dazu ausgebildet ist, in
Abhängigkeit einer Ansteuerung der Koppeleinheit (30, 70) einen von mindestens zwei Schaltzuständen einzunehmen, wobei in einem ersten Schaltzustand der erste Anschluss (42) und der zweite Anschluss (43) des Batteriemoduls (40-1 , 40-n) verbunden sind und in einem zweiten Schaltzustand die wenigstens eine Batteriezelle (41 ) zwischen den ersten Anschluss (42) und den zweiten Anschluss (43) geschaltet ist, und wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
i. Festlegen eines einzunehmenden Schaltzustands in jedem der
Batteriemodule (40-1 , 40-n); und
ii. Einnehmen des festgelegten Schaltzustands durch jedes der
Batteriemodule (40-1 , 40-n) in Abhängigkeit der Ansteuerung der Koppeleinheit (30, 70).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei am Anfang eines Ladevorgangs durch mindestens eins der Batteriemodule (40-1 , 40-n) der zweite
Schaltzustand eingenommen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei am Anfang eines Ladevorgangs durch alle Batteriemodule (40-1 , 40-n) der zweite Schaltzustand eingenommen wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der
einzunehmende Schaltzustand in jedem der Batteriemodule (40-1 , 40-n) durch ein Steuergerät (60) festgelegt wird und wobei die Koppeleinheiten (30, 70) durch das Steuergerät (60) angesteuert werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Ladegerät (80) an zwei Ladeanschlüsse (81 , 82) der Batterie (10) angeschlossen wird und diese über die zwei Ladeanschlüsse (81 , 82) auflädt.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Ladegerät (80) die Batterie (10) mit einer konstanten Ladespannung auflädt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei durch mindestens eins der Batteriemodule (40-1 , 40-n) der erste Schaltzustand eingenommen wird, wenn eine zwischen dem ersten Anschluss (42) und dem zweiten Anschluss (43) des Batteriemoduls (40-1 , 40-n) anliegende Spannung einen vorbestimmten Spannungsschwellenwert überschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei der Ladevorgang beendet wird, sobald durch alle Batteriemodule (40-1 , 40-n) der erste Schaltzustand eingenommen wird.
Batterie (10) umfassend mindestens einen Batteriemodulstrang (50-1 , 50-2, 50-3) mit einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen
(40-1 , 40-n), dadurch gekennzeichnet, dass jedes Batteriemodul (40-1 , 40-n) wenigstens eine Batteriezelle (41 ), wenigstens eine
Koppeleinheit (30, 70), einen ersten Anschluss (42) und einen zweiten Anschluss (43) umfasst und dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit einer Ansteuerung der Koppeleinheit (30, 70) einen von mindestens zwei Schaltzuständen einzunehmen, wobei in einem ersten Schaltzustand der erste Anschluss (42) und der zweite Anschluss (43) des Batteriemoduls (40-1 , 40-n) verbunden sind und in einem zweiten Schaltzustand die wenigstens eine Batteriezelle (41 ) zwischen den ersten Anschluss (42) und den zweiten Anschluss (43) geschaltet ist, derart, dass ein Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche ausführbar ist.
0. Steuergerät (60), dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (60) dazu ausgebildet ist, einzunehmende Schaltzustände in jedem der Batteriemodule (40-1 , 40-n) einer Batterie (10) nach Anspruch 9 festzulegen und die Koppeleinheiten (30, 70) in der Batterie (10) anzusteuern derart, dass ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausführbar ist.
1 1 . Batterie (10) nach Anspruch 9 umfassend ein Steuergerät (60) nach
Anspruch 10.
12. Ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor (13) zum Antreiben des Kraftfahrzeuges und einer mit dem elektrischen Antriebsmotor (13) verbundenen Batterie nach einem der Ansprüche 9 oder 1 1.
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