WO2013075903A2 - Batteriemodulstrang für den antrieb eines gleichstrommotors - Google Patents

Batteriemodulstrang für den antrieb eines gleichstrommotors Download PDF

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WO2013075903A2
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Stefan Butzmann
Holger Fink
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Robert Bosch Gmbh
Samsung Sdi Co., Ltd.
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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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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • 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 module string for driving a DC motor and a battery with the inventive
  • 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 link capacitor 1 1 is buffered.
  • a pulse inverter 12 which provides over two switchable semiconductor valves and two diodes at three taps 14-1, 14-2, 14-3 mutually 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 range of mF.
  • Pulse inverter 12 to high switching losses and - because of the high voltages typically Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) switch must be used - also to high forward losses.
  • IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
  • Be operated DC or DC supply Depending on the direction of the power flow is between a DC motor and a
  • DC machines include good start-up behavior and good controllability.
  • a battery module string is provided whose output is connected to an input of a DC machine, in particular a DC motor
  • the battery module string comprises a
  • Each of these Battery modules comprises at least one battery cell, at least one
  • each battery module is designed to occupy one of at least two switching states as a function of a control of the coupling unit.
  • different switching states correspond to different voltage values between the first terminal and the second terminal. This means that in the different switching states, different voltages are present between the first connection and the second connection and can therefore be tapped off.
  • the plurality of series-connected battery modules may have different properties, wherein in the battery module string either only battery modules of the same nature or a combination of battery modules of different nature may be provided.
  • a battery module of a first constitution comprises a coupling unit which is designed to switch the at least one battery cell between the first terminal and the second terminal to a first (in an example positive) polarity and to a second control signal in response to a first control signal first connection and the second connection to connect.
  • a battery module of a second nature is similar in construction to the battery module of the first type, but differs in that the at least one battery cell can be switched between the first terminal and the second terminal with one of the first opposite (in the same example negative) polarity ,
  • a battery module of a third nature has three possible ones
  • Switching states wherein in two of the three switching states, the at least one battery cell between the first terminal and the second terminal is connected with selectable polarity, and connected in a further switching state of the first terminal and the second terminal of the battery module.
  • Within the battery module string are connected in series
  • Battery modules connected such that the second terminal of the parent in the series circuit battery module is connected to the first terminal of the lower-lying in the series battery module.
  • One or more battery modules may be pulse width modulatable.
  • the battery is preferably a lithium-ion battery.
  • the battery may additionally comprise a control unit designed to control the coupling units of the battery modules.
  • Another aspect of the invention relates to a drive unit with at least one DC machine and the battery module string according to the invention, wherein the output of the battery module string to an input of the
  • a motor vehicle is specified with a direct current machine for driving the motor vehicle and a battery module line according to the invention connected to the direct current machine.
  • FIG. 2 shows a coupling unit which can be used in the battery module string according to the invention
  • FIG. 3 shows a first embodiment of the coupling unit
  • FIG. 4 shows a second embodiment of the coupling unit
  • Figure 5 shows the second embodiment of the coupling unit in a simple
  • FIGS. 6 and 7 show two arrangements of the coupling unit in a battery module
  • FIG. 8 shows the coupling unit shown in FIG. 5 in the arrangement shown in FIG. 6,
  • FIG. 9 shows an electric drive unit with three battery module strings
  • FIG. 10 shows a control of the electric drive unit shown in FIG. 9 by a control unit
  • FIG. 11 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. 12 shows an embodiment of the battery module with the embodiment shown in FIG. 12
  • FIG. 13 shows an electric drive unit according to a first embodiment of the invention
  • Figure 15 shows an electric drive unit according to a third embodiment of the invention.
  • FIG. 2 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 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 may also be formed 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 3 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. 4 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. 5 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.
  • Figures 6 and 7 show two arrangements of the coupling unit 30 in one
  • Battery module 40 A plurality of battery cells 41 is 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.
  • a mirror-image arrangement as in FIG. 7 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. 8 shows the coupling unit 30 shown in FIG. 5 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 .
  • Figure 9 shows an electric drive unit with an electric
  • Three-phase 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 6 or 7.
  • the first terminal 42 of a battery module 40-1, 40-n is connected to the second one
  • Battery module strings 50-1, 50-2, 50-3 are generated.
  • a control device 60 shown in FIG. 10 is designed to be connected to a variable
  • 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.
  • m sinusoidal output voltages can be generated, the electric motor 13 in the desired form without use to control an additional pulse inverter.
  • the battery modules 40-1, 40-n used in one of the m battery module strings 50-1, 50-2,... 50-m are designed to connect their battery cells 41 between the first
  • FIG. 1 1 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 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 connected between the second input 72 and the first output 73.
  • FIG. 12 shows an embodiment of the battery module 40 with the coupling unit shown in FIG. 11.
  • 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 different
  • Sign 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 switches 75 and 77) to connect the terminals 42 and 43 together and to produce an output voltage of 0V. Overall, it is thus it is possible to set either 0 volts, the voltage U m0d or the voltage -U m0d between the terminals 42 and 43 of the battery module 40 .
  • a disadvantage of the arrangements shown in FIGS. 9 and 10 is that the battery cells 41 are exposed to an alternating current load.
  • the invention provides, the principle described above, a
  • FIG. 13 shows an electric drive unit according to a first embodiment
  • the drive unit comprises a
  • Battery module strand 50 is connected, which as one of the in the figures
  • battery module strings 50-1, 50-2, 50-3 is constructed.
  • a plurality of battery modules of a first nature 51 -1, 51 -n are connected in series.
  • the battery modules 51 -1, 51 -n correspond to the battery modules 40-1, 40-n shown, for example, in FIGS. 9 and 10, wherein between the first terminal
  • the first-order battery modules 51 -1, 51 -n are connected in series in such a way that a first terminal 42 of a battery module is connected to the second terminal 43 of an adjacent one (in the following) in the series connection.
  • Battery module is connected. More specifically, the second terminal 43 of a battery module arranged in the series circuit closer to an output 55 of the battery module string battery module with the first terminal 42 of the in
  • Texture 51 -1, 51 -n is up with his neighbor or his neighbor connected the same way.
  • suitable control of the battery modules 51 -1, 51 -n can thus be set at the output 55 of the battery module string stage a voltage between 0 and n U m0d , which the
  • the DC machine 54 drives.
  • the DC machine 54 is in the im
  • the speed of the DC motor 54 can now be done by suitable control of the battery modules 51 -1, 51 -n.
  • at least one of the battery modules 51 -1, 51 -n can also be operated with pulse width modulation, so that the voltage applied to the output 55 of the battery module string can be set with a desired resolution.
  • FIG. 14 shows an electric drive unit according to a second
  • Battery module strand 50 are arranged.
  • the battery modules of the second constitution 52-1, 52-m are similar to the battery modules of the first constitution 51 -1, .... 51 -n constructed, but differ from these in that the at least one battery cell 41 with respect to the first Terminal 42 and the second terminal 43 is arranged with reversed polarity.
  • one of the voltage values 0 and -U m0d with negative polarity can be tapped off between the first terminal 42 and the second terminal 43 of the battery modules of the second constitution 52-1, 52-m.
  • a voltage between -m U m0d and + n U m0d can now be set at the output 55 of the battery module string the DC motor 54 can be driven in different directions of rotation.
  • Figure 15 shows an electric drive unit according to a third
  • the battery module string 50 also includes m Battery modules of a third nature 53-1, 53-m.
  • Battery modules of the third nature 53-1, 53-m is constructed like the battery module 40 shown in FIG. 12 and thus provides one of the voltage values -U m0 d, 0 or + U m0 d between its outputs 42 and 43 Coupling units 30 in the battery modules
  • Embodiment of the invention can thus be operated in both directions of rotation of the DC motor 54.

Abstract

Es wird ein Batteriemodulstrang (50) beschrieben, dessen Ausgang (55) an einen Eingang einer Gleichstrommaschine (54) anschließbar ist. Der Batteriemodulstrang (50) umfasst eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Batteriemodulen (51, 52, 53). Jedes Batteriemodul (51, 52, 53) 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 verschiedene Schaltzustände unterschiedlichen Spannungswerten zwischen dem ersten Anschluss (42) und dem zweiten Anschluss (43) des Batteriemoduls (51, 52, 53) entsprechen.

Description

Beschreibung Titel
Batteriemodulstrang für den Antrieb eines Gleichstrommotors
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Batteriemodulstrang für den Antrieb eines Gleichstrommotors sowie eine Batterie mit dem erfindungsgemäßen
Batteriemodulstrang.
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 die schwächste Batteriezelle in der Batterie 10 die Reichweite bestimmt, und dass der Defekt einer einzelnen Batteriezelle bereits zu einem Liegenbleiber des ganzen
Fahrzeugs führt. Zudem führt die Modulation der hohen Spannungen im
Pulswechselrichter 12 zu hohen Schaltverlusten und - da wegen der hohen Spannungen typischerweise Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)-Schalter eingesetzt werden müssen - ebenfalls zu hohen Durchlassverlusten.
Nachteilig ist außerdem, 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.
Aus dem Stand der Technik sind außerdem Gleichstrommaschinen bekannt, bei denen es sich um rotierende elektrische Maschinen handelt, welche mit
Gleichstrom betrieben werden oder einen Gleichstrom liefern. Je nach Richtung des Leistungsflusses wird zwischen einem Gleichstrommotor und einem
Gleichstromgenerator unterschieden. Zu den Vorteilen der
Gleichstrommaschinen gehören gutes Anlaufverhalten und gute Regelbarkeit.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Batteriemodulstrang bereitgestellt, dessen Ausgang an einen Eingang einer Gleichstrommaschine, insbesondere eines
Gleichstrommotors, anschließbar ist. Der Batteriemodulstrang umfasst eine
Mehrzahl von Batteriemodulen, welche in Reihe geschaltet sind. Jedes dieser Batteriemodule umfasst wenigstens eine Batteriezelle, wenigstens eine
Koppeleinheit, einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss. Dabei ist jedes Batteriemodul dazu ausgebildet, in Abhängigkeit einer Ansteuerung der Koppeleinheit einen von mindestens zwei Schaltzuständen einzunehmen. Hierbei entsprechen verschiedene Schaltzustände unterschiedlichen Spannungswerten zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss. Dies heißt, dass in den verschiedenen Schaltzuständen unterschiedliche Spannungen zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss anliegen und somit abgreifbar sind.
Die Mehrzahl der in Reihe geschalteten Batteriemodule kann verschiedene Eigenschaften aufweisen, wobei in dem Batteriemodulstrang entweder ausschließlich Batteriemodule der gleichen Beschaffenheit oder auch eine Kombination von Batteriemodulen verschiedener Beschaffenheit vorgesehen sein können.
Ein Batteriemodul einer ersten Beschaffenheit umfasst eine Koppeleinheit, welche dazu ausgebildet ist, auf ein erstes Steuersignal hin die wenigstens eine Batteriezelle zwischen den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss mit einer ersten (in einem Beispiel positiven) Polarität zu schalten und auf ein zweites Steuersignal hin den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss zu verbinden.
Ein Batteriemodul einer zweiten Beschaffenheit ist ähnlich aufgebaut wie das Batteriemodul der ersten Beschaffenheit, unterscheidet sich jedoch dahin gehend, dass die wenigstens eine Batteriezelle zwischen den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss mit einer der ersten entgegengesetzten (in dem gleichen Beispiel negativen) Polarität geschaltet werden kann. Ein Batteriemodul einer dritten Beschaffenheit weist drei mögliche
Schaltzustände auf, wobei in zwei der drei Schaltzustände die wenigstens eine Batteriezelle zwischen den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss mit wählbarer Polarität geschaltet ist, und in einem weiteren Schaltzustand der erste Anschluss und der zweite Anschluss des Batteriemoduls verbunden sind. Innerhalb des Batteriemodulstrangs werden die in Reihe geschalteten
Batteriemodule derart verbunden, dass der zweite Anschluss des in der Reihenschaltung übergeordneten Batteriemoduls mit dem ersten Anschluss des in der Reihenschaltung niedriger liegenden Batteriemoduls verbunden ist.
Ein oder mehrere Batteriemodule können pulsweitenmodulierbar sein.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Batterie mit mindestens einem erfindungsgemäßen Batteriemodulstrang. Die Batterie ist bevorzugt eine Lithium-Ionen-Batterie. Die Batterie kann zusätzlich ein zur Ansteuerung der Koppeleinheiten der Batteriemodule ausgebildetes Steuergerät umfassen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Antriebseinheit mit mindestens einer Gleichstrommaschine und dem erfindungsgemäßen Batteriemodulstrang, wobei der Ausgang des Batteriemodulstrangs an einen Eingang der
Gleichstrommaschine angeschlossen ist.
Es wird zudem ein Kraftfahrzeug mit einer Gleichstrommaschine zum Antreiben des Kraftfahrzeuges und einem mit der Gleichstrommaschine verbundenen erfindungsgemäßen Batteriemodulstrang 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 eine Koppeleinheit, die in dem erfindungsgemäßen Batteriemodulstrang verwendbar ist,
Figur 3 eine erste Ausführungsform der Koppeleinheit,
Figur 4 eine zweite Ausführungsform der Koppeleinheit, Figur 5 die zweite Ausführungsform der Koppeleinheit in einer einfachen
Halbleiterschaltung,
Figuren 6 und 7 zwei Anordnungen der Koppeleinheit in einem Batteriemodul,
Figur 8 die in Figur 5 dargestellte Koppeleinheit in der in Figur 6 dargestellten Anordnung,
Figur 9 eine elektrische Antriebseinheit mit drei Batteriemodulsträngen,
Figur 10 eine Ansteuerung der in Figur 9 gezeigten elektrischen Antriebseinheit durch ein Steuergerät,
Figur 1 1 eine Ausführungsform der Koppeleinheit, welche ermöglicht, dass zwischen den Anschlüssen eines Batteriemoduls eine Spannung mit wählbarer Polarität anliegt,
Figur 12 eine Ausführungsform des Batteriemoduls mit der in Figur 1 1
dargestellten Koppeleinheit,
Figur 13 eine elektrische Antriebseinheit gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
Figur 14 eine elektrische Antriebseinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, und
Figur 15 eine elektrische Antriebseinheit gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 2 zeigt eine Koppeleinheit 30, die in dem erfindungsgemäßen
Batteriemodulstrang 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 3 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 4 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 3 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 Steuersignals reagieren kann und hohe Umschaltraten erreichbar sind.
Figur 5 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 6 und 7 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 6 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 7 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 8 zeigt die in Figur 5 dargestellte Koppeleinheit 30 in der in Figur 6 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 9 zeigt eine elektrische Antriebseinheit mit einem elektrischen
Drehstrommotor 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 6 oder 7 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 10 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 1 1 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 12 zeigt eine Ausführungsform des Batteriemoduls 40 mit der in Figur 1 1 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.
Nachteilig bei den in den Figuren 9 und 10 dargestellten Anordnungen ist, dass die Batteriezellen 41 einer Wechselstrombelastung ausgesetzt sind.
Typischerweise werden bei Belastung eines Stranges die Batteriezellen eines anderen Stranges geladen. Diese Wechselstrombelastung kann Nachteile für die Lebensdauer der Batteriezellen mit sich bringen. Daher ist erfindungsgemäß vorgesehen, das oben beschriebene Prinzip, einen
Wechselstrommotor über drei durch Batteriemodulstränge gebildete Phasen anzutreiben, auf den Fall einer Phase zu übertragen und zur Ansteuerung eines Gleichstrommotors zu verwenden. Auf diese Weise entfällt die Wechselbelastung der Batteriezellen, was zu einer Verlängerung der Lebensdauer der
Batteriezellen beiträgt.
Figur 13 zeigt eine elektrische Antriebseinheit gemäß einer ersten
Ausführungsform der Erfindung. Die Antriebseinheit umfasst einen
Gleichstromstrommotor 54, dessen Eingang an einen Ausgang 55 eines
Batteriemodulstrangs 50 angeschlossen ist, welcher wie einer der in den Figuren
9 und 10 gezeigten Batteriemodulstränge 50-1 , 50-2, 50-3 aufgebaut ist. In dem Batteriemodulstrang 50 ist eine Vielzahl von Batteriemodulen einer ersten Beschaffenheit 51 -1 , 51 -n in Reihe geschaltet. Hierbei entsprechen die Batteriemodule 51 -1 , 51 -n den beispielsweise in den Figuren 9 und 10 gezeigten Batteriemodulen 40-1 , 40-n, wobei zwischen dem ersten Anschluss
42 und dem zweiten Anschluss 43 wahlweise einer der Spannungswerte 0 oder +Um0d mit einer positiven Polarität abgreifbar ist. Die Batteriemodule erster Beschaffenheit 51 -1 , 51 -n werden in der Reihenschaltung so miteinander verbunden, dass ein erster Anschluss 42 eines Batteriemoduls mit dem zweiten Anschluss 43 eines in der Reihenschaltung benachbarten (darauf folgenden)
Batteriemoduls verbunden ist. Genauer ist der zweite Anschluss 43 eines in der Reihenschaltung näher an einem Ausgang 55 des Batteriemodulstrangs angeordneten Batteriemoduls mit dem ersten Anschluss 42 des in der
Reihenschaltung entfernter vom Ausgang 55 des Batteriemodulstrangs angeordneten Batteriemoduls verbunden. Jedes der Batteriemodule erster
Beschaffenheit 51 -1 , 51 -n ist mit seinem Nachbar oder seinen Nachbarn auf die gleiche Weise verbunden. Durch geeignete Ansteuerung der Batteriemodule 51 -1 , 51 -n kann somit am Ausgang 55 des Batteriemodulstrangs stufig eine Spannung zwischen 0 und n Um0d eingestellt werden, welche den
Gleichstrommotor 54 antreibt. Die Gleichstrommaschine 54 ist in den im
Folgenden beschriebenen Beispielen als Gleichstrommotor ausgelegt. Der erfindungsgemäße Gedanke lässt sich aber leicht auf den Fall eines
Gleichstromgenerators übertragen.
Die Drehzahl des Gleichstrommotors 54 kann nun durch geeignete Ansteuerung der Batteriemodule 51 -1 , 51 -n erfolgen. Hierbei kann auch mindestens eines der Batteriemodule 51 -1 , 51 -n pulsweitenmoduliert betrieben werden, so dass sich die am Ausgang 55 des Batteriemodulstrangs anliegende Spannung mit einer wunschgemäßen Auflösung einstellen lässt.
Figur 14 zeigt eine elektrische Antriebseinheit gemäß einer zweiten
Ausführungsform der Erfindung. Die in Figur 14 gezeigte Anordnung
unterscheidet sich von der in Figur 13 gezeigten Anordnung dadurch, dass zusätzlich zu den n Batteriemodulen erster Beschaffenheit 51 -1 , ... 51 -n zusätzliche m Batteriemodule zweiter Beschaffenheit 52-1 , 52-m im
Batteriemodulstrang 50 angeordnet sind. Die Batteriemodule der zweiten Beschaffenheit 52-1 , 52-m sind ähnlich wie die Batteriemodule der ersten Beschaffenheit 51 -1 , .... 51 -n aufgebaut, unterscheiden sich jedoch von diesen dahin gehend, dass die mindestens eine Batteriezelle 41 bezüglich dem ersten Anschluss 42 und dem zweiten Anschluss 43 mit umgekehrter Polarität angeordnet ist. Somit ist zwischen dem ersten Anschluss 42 und dem zweiten Anschluss 43 der Batteriemodule der zweiten Beschaffenheit 52-1 , 52-m jeweils einer der Spannungswerte 0 und -Um0d mit negativer Polarität abgreifbar. Durch geeignete Ansteuerung der Koppelelemente in den Batteriemodulen 51 -1 , .... 51 -n und 52-1 , 52-m kann nun am Ausgang 55 des Batteriemodulstrangs eine Spannung zwischen -m Um0d und +n Um0d eingestellt werden, wodurch der Gleichstrommotor 54 in verschiedenen Drehrichtungen angetrieben werden kann.
Figur 15 zeigt eine elektrische Antriebseinheit gemäß einer dritten
Ausführungsform der Erfindung. Neben den n Batteriemodulen der ersten
Beschaffenheit 51 -1 , 51 -n umfasst der Batteriemodulstrang 50 hierbei auch m Batteriemodule einer dritten Beschaffenheit 53-1 , 53-m. Jedes der
Batteriemodule der dritten Beschaffenheit 53-1 , 53-m ist wie das in Figur 12 gezeigte Batteriemodul 40 aufgebaut und liefert somit zwischen seinen Ausgängen 42 und 43 jeweils einen der Spannungswerte -Um0d, 0 oder +Um0d- Durch geeignete Ansteuerung der Koppeleinheiten 30 in den Batteriemodulen
51 -1 , 51 -n und der Koppeleinheiten 70 in den Batteriemodulen 53-1 , ... 53-m kann somit am Ausgang 55 des Batteriemodulstrangs eine Spannung zwischen -m Umod und +(m + n) Um0d abgegriffen werden. Wie bei der zweiten
Ausführungsform der Erfindung kann somit der Gleichstrommotor 54 in beiden Drehrichtungen betrieben werden.

Claims

Ansprüche
1 . Batteriemodulstrang (50), dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgang (55) des Batteriemodulstranges (50) an einen Eingang einer
Gleichstrommaschine (54) anschließbar ist und der Batteriemodulstrang (50) eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Batteriemodulen (51 , 52, 53) umfasst, wobei jedes Batteriemodul (51 , 52, 53) 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 verschiedene Schaltzustände unterschiedlichen Spannungswerten zwischen dem ersten Anschluss (42) und dem zweiten Anschluss (43) des
Batteriemoduls (51 , 52, 53) entsprechen.
2. Batteriemodulstrang (50) nach Anspruch 1 , wobei der Batteriemodulstrang (50) mindestens ein Batteriemodul einer ersten Beschaffenheit (51 ) umfasst, wobei das Batteriemodul der ersten Beschaffenheit (51 ) eine Koppeleinheit (30) umfasst, welche dazu ausgebildet ist, auf ein erstes Steuersignal hin die wenigstens eine Batteriezelle (41 ) zwischen den ersten Anschluss (42) und den zweiten Anschluss (43) mit einer ersten Polarität zu schalten und auf ein zweites Steuersignal hin den ersten Anschluss (42) und den zweiten
Anschluss (43) zu verbinden.
3. Batteriemodulstrang (50) nach Anspruch 2, wobei der Batteriemodulstrang
(50) mindestens ein Batteriemodul einer zweiten Beschaffenheit (52) umfasst, wobei das Batteriemodul der zweiten Beschaffenheit (52) eine Koppeleinheit (30) umfasst, welche dazu ausgebildet ist, auf ein erstes Steuersignal hin die wenigstens eine Batteriezelle (41 ) zwischen den ersten Anschluss (42) und den zweiten Anschluss (43) mit einer der ersten entgegengesetzten Polarität zu schalten und auf ein zweites Steuersignal hin den ersten Anschluss (42) und den zweiten Anschluss (43) zu verbinden.
Batteriemodulstrang (50) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Batteriemodulstrang (50) mindestens ein Batteriemodul einer dritten Beschaffenheit (53) umfasst, wobei das Batteriemodul der dritten
Beschaffenheit (53) dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit einer Ansteuerung der Koppeleinheit (70) wahlweise einen von mindestens drei
Schaltzuständen einzunehmen, wobei in einem ersten Schaltzustand der erste Anschluss (42) und der zweite Anschluss (43) des Batteriemoduls (53) verbunden ist, in einem zweiten Schaltzustand die wenigstens eine
Batteriezelle (41 ) zwischen den ersten Anschluss (42) und den zweiten Anschluss (43) mit einer ersten Polarität geschaltet und in einem dritten Schaltzustand die wenigstens eine Batteriezelle (41 ) zwischen den ersten Anschluss (42) und den zweiten Anschluss (43) mit einer der ersten entgegengesetzten Polarität geschaltet ist.
Batteriemodulstrang (50) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in allen benachbarten Paaren der in Reihe geschalteten Batteriemodulen (51 , 52, 53) der zweite Anschluss (43) des in der Reihenschaltung näher am Ausgang (55) des Batteriemodulstrangs angeordneten Batteriemoduls (51 , 52, 53) mit dem ersten Anschluss (42) des in der Reihenschaltung entfernter vom Ausgang des Batteriemodulstrangs (55) angeordneten Batteriemoduls (51 , 52, 53) verbunden ist.
Batteriemodulstrang (50) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Batteriemodul (51 , 52, 53) pulsweitenmodulierbar ist.
Batterie (10) umfassend mindestens einen Batteriemodulstrang (50) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Batterie (10) nach Anspruch 7, wobei die Batterie (10) ein zur Ansteuerung der Koppeleinheiten (30, 70) ausgebildetes Steuergerät umfasst.
Antriebseinheit umfassend mindestens eine Gleichstrommaschine (54) sowie mindestens einen Batteriemodulstrang (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder eine Batterie (10) nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Ausgang (55) des Batteriemodulstrangs an einen Eingang der
Gleichstrommaschine (54) angeschlossen ist.
Ein Kraftfahrzeug mit einer Antriebseinheit nach Anspruch 9.
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