WO2013143805A2

WO2013143805A2 - Batteriesystem, kraftfahrzeug mit batteriesystem und verfahren zur inbetriebnahme eines batteriesystems

Info

Publication number: WO2013143805A2
Application number: PCT/EP2013/054250
Authority: WO
Inventors: Stefan Butzmann
Original assignee: Robert Bosch Gmbh; Samsung Sdi Co., Ltd.
Priority date: 2012-03-28
Filing date: 2013-03-04
Publication date: 2013-10-03
Also published as: KR20140140108A; CN104334393A; KR101670002B1; WO2013143805A3; CN104334393B; DE102012204965A1

Abstract

Es wird ein Batteriesystem (700) mit einem Gleichspannungszwischenkreis (706), einer Batteriesteuereinheit und einer mit dem Gleichspannungszwischenkreis (706) verbundenen Batterie beschrieben. Die Batterie umfasst wenigstens einen Batteriemodulstrang, der eine Reihenschaltung einer Mehrzahl von Batteriemodulen (400, 600, 702) umfasst, wobei die Mehrzahl von Batteriemodulen (400, 600, 702) wenigstens ein erstes Batteriemodul (702) und ein zweites Batteriemodul (400) umfasst. Das zweite Batteriemodul (400) umfasst wenigstens eine Batteriezelle (402) und ist mit einer Koppeleinheit (300, 500) verbunden. Die Koppeleinheit (300, 500) ist derart von der Batteriesteuereinheit ansteuerbar, dass sie das zweite Batteriemodul (400) überbrückt oder dem Batteriemodulstrang hinzuschaltet und so eine am Gleichspannungszwischenkreis (706) anliegende Ausgangsspannung in mehreren Spannungsstufen einstellt. Erfindungsgemäß umfasst das Batteriesystem (700) einen Gleichspannungswandler (704), der zum zweiten Batteriemodul (400) in Reihe geschaltet ist und der mit dem ersten Batteriemodul (702) verbunden ist. Der Gleichspannungswandler (704) ist ausgelegt, den Gleichspannungszwischenkreis (706) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Spannungsstufen mit wenigstens einer Spannungszwischenstufe aufzuladen. Ferner werden ein Kraftfahrzeug mit dem Batteriesystem (700) und ein Verfahren zur Inbetriebnahme eines Batteriesystems beschrieben.

Description

Batteriesvstem, Kraftfahrzeug mit Batteriesvstem und Verfahren zur Inbetriebnahme eines Batteriesystems

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem mit einem

Gleichspannungszwischenkreis, einer Batteriesteuereinheit und einer Batterie, sowie ein Kraftfahrzeug mit einem Batteriesystem und ein Verfahren zur

Inbetriebnahme eines Batteriesystems.

Stand der Technik

Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, z. B. bei Windkraftanlagen, in Fahrzeugen, z. B. in Hybrid- und Elektrofahrzeugen, und bei Laptops und Mobiltelefonen Lithium-Ionen-Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden.

Lithium-Ionen-Batteriesysteme zeichnen sich unter anderem durch hohe

Energiedichte und eine geringe Selbstentladung aus.

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 1 10 ist an einen

Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen, welcher durch einen

Kondensator 1 11 gebildet wird. An den Gleichspannungszwischenkreis

angeschlossen ist ein Pulswechselrichter 1 12, der über jeweils zwei schaltbare Halbleiterventile und zwei Dioden an drei Ausgängen gegeneinander

phasenversetzte Sinusspannungen für den Betrieb eines elektrischen

Antriebsmotors 113 bereitstellt. Die Kapazität des Kondensators 1 11 , der den

Gleichspannungszwischenkreis bildet, 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 bis zu einigen mF.

Figur 2 zeigt die Batterie 1 10 der Figur 1 in einem detaillierteren Blockschaltbild. Eine Vielzahl von Batteriezellen ist in Reihe 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 114 ist eine Lade- und Trenneinrichtung 116 geschaltet. Optional kann zusätzlich zwischen den Minuspol der Batteriezellen und ein negatives Batterieterminal 115 eine

Trenneinrichtung 117 geschaltet werden. Die Trenn- und Ladeeinrichtung 1 16 und die Trenneinrichtung 117 umfassen jeweils ein Schütz 1 18 beziehungsweise 1 19, welche dafür vorgesehen sind, die Batteriezellen von den Batterieterminals abzutrennen, um die Batterieterminals spannungsfrei zu schalten. Aufgrund der hohen Gleichspannung der seriengeschalteten Batteriezellen ist andernfalls erhebliches Gefährdungspotential für Wartungspersonal oder dergleichen gegeben. In der Lade- und Trenneinrichtung 1 16 ist zusätzlich ein Ladeschütz

120 mit einem zu dem Ladeschütz 120 in Serie geschalteten Ladewiderstand

121 vorgesehen. Der Ladewiderstand 121 begrenzt einen Aufladestrom für den Kondensator 11 1 , wenn die Batterie an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen wird. Hierzu wird zunächst das Schütz 1 18 offen gelassen und nur der Ladeschütz 120 geschlossen. Erreicht die Spannung am positiven Batterieterminal 114 die Spannung der Batteriezellen, kann das Schütz 1 19 geschlossen und gegebenenfalls das Ladeschütz 120 geöffnet werden.

Das Ladeschütz 120 und der Ladewiderstand 121 stellen in Anwendungen, die eine Leistung im Bereich einiger 10 kW aufweisen, bedeutenden Mehraufwand dar, der lediglich für den einige hundert Millisekunden dauernden Ladevorgang des Gleichspannungszwischenkreises benötigt wird. Die genannten

Komponenten sind nicht nur teuer, sondern auch groß und schwer, was besonders für den Einsatz in mobilen Anwendungen wie elektrischen

Kraftfahrzeugen störend ist.

Aus der vorangemeldeten und nachveröffentlichten DE 10 2010 041 029.1 ist ferner eine Batterie bekannt, die eine Steuereinheit und eine Mehrzahl von in

Reihe geschalteten Batteriemodulen aufweist. Jedes dieser Batteriemodule umfasst dabei eine Koppeleinheit und wenigstens eine zwischen einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang der Koppeleinheit geschaltete Batteriezelle. Die Mehrzahl von Batteriemodulen umfasst ein erstes Batteriemodul mit einer ersten Anzahl Batteriezellen und wenigstens ein zweites Batteriemodul mit einer zweiten Anzahl Batteriezellen, welche größer ist als die erste Anzahl

Batteriezellen.

Bei der bekannten Batterie werden die Koppeleinheiten in einem ersten Schritt derart gesteuert, dass alle Batteriezellen der Batteriemodule abgekoppelt werden. In einem zweiten Schritt werden die Batteriemodule ausgangsseitig überbrückt, so dass eine Batterieausgangsspannung von Null entsteht. In einem dritten Schritt werden die Batteriezellen des ersten Batteriemoduls angekoppelt und dessen ausgangsseitige Überbrückung aufgehoben. In einem vierten Schritt werden die Batteriezellen eines zweiten Batteriemoduls angekoppelt und dessen ausgangsseitige Überbrückung aufgehoben. In einem fünften Schritt werden gleichzeitig mit dem vierten Schritt die Batteriezellen des ersten Batteriemoduls abgekoppelt und das erste Batteriemodul überbrückt. Die Schritte drei bis fünf werden für mehrere Batteriemodule wiederholt, bis am

Gleichspannungszwischenkreis eine Sollbetriebsspannung erreicht ist.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird ein Batteriesystem mit einem

Gleichspannungszwischenkreis, einer Batteriesteuereinheit und einer mit dem Gleichspannungszwischenkreis verbundenen Batterie zur Verfügung gestellt. Die Batterie umfasst wenigstens einen Batteriemodulstrang, der eine

Reihenschaltung einer Mehrzahl von Batteriemodulen umfasst, wobei die

Mehrzahl von Batteriemodulen wenigstens ein erstes Batteriemodul und ein zweites Batteriemodul umfasst. Das zweite Batteriemodul umfasst wenigstens eine Batteriezelle und ist mit einer Koppeleinheit verbunden. Die Koppeleinheit ist derart von der Batteriesteuereinheit ansteuerbar, dass sie das zweite

Batteriemodul überbrückt oder dem Batteriemodulstrang hinzuschaltet und so eine am Gleichspannungszwischenkreis anliegende Ausgangsspannung in mehreren Spannungsstufen einstellt. Erfindungsgemäß umfasst das

Batteriesystem einen Gleichspannungswandler, der zum zweiten Batteriemodul in Reihe geschaltet ist und der mit dem ersten Batteriemodul verbunden ist. Der Gleichspannungswandler ist ausgelegt, den Gleichspannungszwischenkreis zwischen zwei aufeinanderfolgenden Spannungsstufen mit wenigstens einer Spannungszwischenstufe aufzuladen. Außerdem wird ein Kraftfahrzeug mit dem Batteriesystem, das mit einem

Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist, zur Verfügung gestellt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Inbetriebnahme eines Batteriesystems mit einem Gleichspannungszwischenkreis, einer Batteriesteuereinheit, einer mit dem

Gleichspannungszwischenkreis verbundenen Batterie, umfassend wenigstens einen Batteriemodulstrang, der eine Reihenschaltung einer Mehrzahl von Batteriemodulen umfasst, wobei die Mehrzahl von Batteriemodulen wenigstens ein erstes und ein zweites Batteriemodul umfasst, wobei das zweite

Batteriemodul wenigstens eine Batteriezelle umfasst und mit einer Koppeleinheit verbunden ist, umfasst grundsätzlich wenigstens die folgenden Schritte:

a) Abkoppeln der wenigstens einen Batteriezelle jedes Batteriemoduls durch die Koppeleinheit,

b) ausgangsseitiges Überbrücken aller in Reihe geschalteter Batteriemodule durch die Koppeleinheit, so dass eine Ausgangsspannung des wenigstens einen

Batteriemodulstrangs Null wird,

c) Hinzuschalten eines Gleichspannungswandlers zur Reihenschaltung der Mehrzahl von Batteriemodulen, wobei der Gleichspannungswandler mit dem ersten Batteriemodul verbunden ist,

d) Aufladen des Gleichspannungszwischenkreises über den

Gleichspannungswandler um wenigstens eine Spannungszwischenstufe, e) Überbrücken des Gleichspannungswandlers und des ersten Batteriemoduls, f) Hinzuschalten eines zweiten Batteriemoduls mittels der Koppeleinheit und Ankoppeln der wenigstens einen Batteriezelle des zweiten Batteriemoduls durch die Koppeleinheit.

Vorteile der Erfindung

Durch einzeln hinzuschaltbare Batteriemodule kann eine sukzessive Erhöhung einer am Gleichspannungszwischenkreis anliegenden Ausgangsspannung erreicht werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Batteriesystemen, bei denen die Batterie bzw. mehrere Batteriemodule gleichzeitig eingeschaltet oder

hinzugeschaltet werden, ermöglicht das erfindungsgemäße Batteriesystem kleinere Spannungsstufen, die grundsätzlich auch geringere Strompulse am Gleichspannungszwischenkreis hervorrufen. Der Gleichspannungszwischenkreis kann so auf vorteilhafte Weise ohne Ladeschütz und Ladewiderstand aufgeladen werden, das heißt diese teuren, raumeinnehmenden und schweren Bauteile können eingespart werden. Bevorzugt umfasst das Batteriesystem ein

Lithium-Ionen-Batteriesystem.

Die kleineren Spannungsstufen können durch den Einsatz des

Gleichspannungswandlers und Spannungszwischenstufen noch weiter verkleinert werden, so dass noch geringere Strompulse am

Gleichspannungszwischenkreis hervorgerufen werden. Dies kann die

Bauteilbelastung und damit den Verschleiß im Batteriesystem verringern und die Zuverlässigkeit erhöhen.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann der Gleichspannungswandler einen Synchronwandler, insbesondere einen Tiefsetzsteller, umfassen.

Synchronwandler, auch Gleichspannungstransformatoren genannt, können Gleichspannungen nahezu verlustfrei wandeln.

Tiefsetzsteller umfassen im Wesentlichen eine Diode, ein Schaltelement und eine Induktivität, sind also im Wesentlichen klein, preisgünstig und einfach ausgebildet. Ein Synchronwandler umfasst statt der Diode ein weiteres

Schaltelement und könnte grundsätzlich auch als Hochsetzsteller wirken. Der Tiefsetzsteller bzw. Synchronwandler wandelt vorzugsweise die Spannung des ersten Batteriemoduls auf wenigstens eine Spannungszwischenstufe, die kleiner gleich der Ausgangsspannung des ersten Batteriemoduls, das heißt

Batteriemodulspannung, ist. Weiter bevorzugt kann der Gleichspannungswandler den Gleichspannungszwischenkreis kontinuierlich bzw. quasikontinuierlich um jeweils eine Batteriemodulspannung aufladen, dazu kann der

Gleichspannungswandler mehrere Spannungszwischenstufen erzeugen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Gleichspannungswandler ein Schaltelement zum Überbrücken des Gleichspannungswandlers umfassen. Dadurch kann der Gleichspannungswandler nach dem Aufladen des

Gleichspannungszwischenkreises um eine Batteriemodulspannung zugunsten eines hinzugeschalteten zweiten Batteriemoduls kurz überbrückt werden. Ist das zweite Batteriemodul hinzugeschaltet, kann der Gleichspannungswandler ausgehend von der vorherigen Spannungsstufe den

Gleichspannungszwischenkreis kontinuierlich und langsam um eine weitere

Batteriemodulspannung aufladen, so dass am Gleichspannungszwischenkreis Strompulse verringert oder verhindert werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Gleichspannungswandler wenigstens ein weiteres Schaltelement umfassen, das von der Steuereinheit derart in einem veränderbaren Tastgrad schaltbar ist, dass der

Gleichspannungswandler mehrere sukzessive ansteigende

Spannungszwischenstufen erzeugen kann. Der Tastgrad kann als das Verhältnis aus Einschaltzeit des zweiten Schaltelements zur Schaltperiode definiert sein. Während einer Einschaltzeit fließt vorzugsweise ein Ladestrom aus dem ersten Batteriemodul in die Induktivität des Synchronwandlers. Während einer

Ausschaltphase kann die in der Induktivität gespeicherte Energie abgebaut werden, wobei ein Strom aus der Induktivität in den

Gleichspannungszwischenkreis fließt. Einschaltzeit und Ausschaltzeit bilden dabei im Allgemeinen die Schaltperiode. Die Steuereinheit kann auf vorteilhafte Weise durch Einstellen des Tastgrads nahezu kontinuierlich ansteigende

Spannungszwischenstufen erzeugen und so den Gleichspannungszwischenkreis beispielsweise um jeweils eine Batteriemodulspannung aufladen, wodurch hohe Strompulse reduziert werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der

Gleichspannungszwischenkreis einen Kondensator umfassen. Vorzugsweise besteht der Gleichspannungskreis aus nur einem Kondensator. Wrd ein

Kondensator aufgeladen, liegt zu Beginn im Allgemeinen eine niedrige

Ladespannung an und es fließt ein hoher Strom bzw. Strompuls im Kondensator. Gegen Ende der Aufladung liegt im Allgemeinen eine hohe Ladespannung an und es fließt ein geringer Strom im Kondensator. Bei herkömmlichen

Schaltungen werden dem Gleichspannungszwischenkreis ein Ladeschütz und ein Ladewiderstand vorgeschaltet, um den bei Inbetriebnahme und bei Beginn in den Gleichspannungskreis fließenden hohen Strom zu begrenzen. Das erfindungsgemäße Batteriesystem verringert hohe Ströme am

Gleichspannungszwischenkreis durch Einsatz des Gleichspannungswandlers, der Spannungszwischenstufen bzw. eine quasikontinuierlich steigende

Ladespannung am Gleichspannungszwischenkreis erzeugt. Der

Gleichspannungszwischenkreis ist dadurch bauteilschonend und grundsätzlich ohne Ladeschütz und Ladewiderstand aufladbar. Gemäß einer weiteren Ausführungsform können das erste und das zweite

Batteriemodul identisch ausgebildet sein. In einer bekannten Batterie müssen im Unterschied dazu zwei unterschiedliche Typen von Batteriemodulen vorgehalten sein, ein erstes Batteriemodul mit einer ersten Anzahl von Batteriezellen und ein zweites Batteriemodul mit einer zweiten Anzahl von Batteriezellen, die größer ist als die erste Anzahl von Batteriezellen. Die bekannte Batterie kann außerdem je erstes Batteriemodul nur eine Spannungszwischenstufe erzeugen, jedoch keine kontinuierliche oder quasikontinuierliche Ladespannung bzw.

Ausgangsspannung am Gleichspannungszwischenkreis. Durch den Einsatz eines Gleichspannungswandlers kann auf vorteilhafte Weise eine

unterschiedliche Ausführung der Batteriemodule vermieden werden. Das ermöglicht eine einfachere und kostengünstigere Herstellung eines

Batteriesystems, das zudem bauteilschonender betrieben werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann durch ein anfängliches Abkoppeln der Batteriezelle verhindern, dass ein ausgangsseitiges Überbrücken der

Batteriemodule zu einem Kurzschluss der Batteriezelle über die Koppeleinheit führt. Die Schritte a) und b) des erfindungsgemäßen Verfahrens bilden vorzugsweise Initialisierungsschritte. Die darauffolgenden Schritte c) bis f) dienen vorzugsweise der sukzessiven Erhöhung einer am

Gleichspannungszwischenkreis anliegenden Ausgangsspannung.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das erfindungsgemäße Verfahren den Schritt: g) Wiederholen der Schritte c) bis f), bis eine vorbestimmte

Sollspannung am Gleichspannungszwischenkreis erreicht ist, umfassen. Die Sollspannung bzw. Ausgangsspannung entspricht vorzugsweise der Summe der von den Batteriemodulen abgegebenen Spannungen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht auf vorteilhafte Weise die am

Gleichspannungszwischenkreis anliegende Ausgangsspannung ausgehend von null Volt bis zur Sollspannung kontinuierlich oder quasikontinuierlich aufzuladen, und dabei hohe Strompulse zu verringern oder zu vermeiden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Verfahren den Schritt h) Inbetriebnahme des Batteriesystems und Versorgen eines am

Gleichspannungszwischenkreis angeschlossenen Antriebssystems oder Pulswechselrichters mit der vorbestimmten Sollspannung, umfassen. Der Gleichspannungszwischenkreis kann dabei zur Spannungspufferung, zur kurzfristigen Bereitstellung hoher Energie oder Filterung hochfrequenter

Spannungsanteile erforderlich sein. Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. 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 ein Ausführungsbeispiel einer Koppeleinheit,

Figur 4 eine mögliche schaltungstechnische Umsetzung der Koppeleinheit,

Figur 5 ein Ausführungsbeispiel eines zweiten Batteriemoduls,

Figur 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines zweiten Batteriemoduls,

Figur 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Koppeleinheit,

Figur 8 eine mögliche schaltungstechnische Umsetzung des zweiten

Ausführungsbeispiels der Koppeleinheit,

Figur 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines zweiten Batteriemoduls, und Figur 10 ein Ausführungsbeispiel eines Batteriesystems. Ausführungsformen der Erfindung

Figur 3 zeigt eine Ausführungsform einer Koppeleinheit 300 zum Einsatz in einem erfindungsgemäßen Batteriesystem, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann. Die Koppeleinheit 300 besitzt zwei Eingänge 302 und 304 sowie einen Ausgang 306 und ist ausgebildet, einen der Eingänge 302 oder 304 mit dem Ausgang 306 zu verbinden und den anderen abzukoppeln.

Figur 4 zeigt eine mögliche schaltungstechnische Umsetzung der Koppeleinheit 300, bei der ein erster und ein zweiter Schalter 308 beziehungsweise 310 vorgesehen sind. Jeder der Schalter 308, 310 ist zwischen einen der Eingänge 302 beziehungsweise 304 und den Ausgang 306 geschaltet. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass auch beide Eingänge 302, 304 vom Ausgang 306 abgekoppelt werden können, so dass der Ausgang 306 hochohmig wird, was beispielsweise im Fall einer Reparatur oder Wartung nützlich sein kann. Zudem können die Schalter 308, 310 einfach als Halbleiterschalter wie z. B. MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren) oder IGBTs

(Bipolartransistoren mit isolierter Gate Elektrode) verwirklicht werden.

Halbleiterschalter haben den Vorteil eines günstigen Preises und einer hohen Schaltgeschwindigkeit, so dass die Koppeleinheit 300 innerhalb einer geringen Zeit auf ein Steuersignal beziehungsweise eine Änderung des Steuersignals reagieren kann.

Die Figuren 5 und 6 zeigen zwei Ausführungsformen eines Batteriemoduls 400 mit der Koppeleinheit 300. Eine Mehrzahl von Batteriezellen 402 ist zwischen die Eingänge der Koppeleinheit 300 in Reihe geschaltet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine solche Reihenschaltung von Batteriezellen 402 beschränkt, es kann auch nur eine einzelne Batteriezelle 402 vorgesehen sein oder aber eine Parallelschaltung oder gemischt-seriell-parallele Schaltung von Batteriezellen 402. Im Beispiel der Figur 5 sind der Ausgang der Koppeleinheit 300 mit einem ersten Terminal 404 und der negative Pol der Batteriezellen 402 mit einem zweiten Terminal 406 verbunden. Es ist jedoch eine beinahe spiegelbildliche

Anordnung wie in Figur 6 möglich, bei der der positive Pol der Batteriezellen 402 mit dem ersten Terminal 404 und der Ausgang der Koppeleinheit 300 mit dem zweiten Terminal 406 verbunden sind. Figur 7 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Koppeleinheit 500 zum Einsatz in einem erfindungsgemäßen Batteriesystem, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann. Die Koppeleinheit 500 besitzt zwei Eingänge 502 und 504 sowie zwei Ausgänge 506 und 508. Sie ist ausgebildet, entweder den ersten Eingang 502 mit dem ersten Ausgang 506 sowie den zweiten Eingang 504 mit dem zweiten Ausgang 508 zu verbinden (und den ersten

Ausgang 506 vom zweiten Ausgang 508 abzukoppeln) oder aber den ersten Ausgang 506 mit dem zweiten Ausgang 508 zu verbinden (und dabei die Eingänge 502 und 504 abzukoppeln). Bei bestimmten Ausführungsformen der Koppeleinheit kann diese außerdem ausgebildet sein, beide Eingänge 502, 504 von den Ausgängen 506, 508 abzutrennen und auch den ersten Ausgang 506 vom zweiten Ausgang 508 abzukoppeln. Nicht vorgesehen ist jedoch, sowohl den ersten Eingang 502 mit dem zweiten Eingang 504 zu verbinden. Figur 8 zeigt eine mögliche schaltungstechnische Umsetzung des zweiten Ausführungsbeispiels der Koppeleinheit 500, bei der ein erster, ein zweiter und ein dritter Schalter 510, 512 und 514 vorgesehen sind. Der erste Schalter 510 ist zwischen den ersten Eingang 502 und den ersten Ausgang 506 geschaltet, der zweite Schalter 512 ist zwischen den zweiten Eingang 504 und den zweiten

Ausgang 508 und der dritte Schalter 514 zwischen den ersten Ausgang 506 und den zweiten Ausgang 508 geschaltet. Diese Ausführungsform bietet ebenfalls den Vorteil, dass die Schalter 510, 512 und 514 einfach als Halbleiterschalter wie z. B. MOSFETs oder IGBTs verwirklicht werden können. Halbleiterschalter haben den Vorteil eines günstigen Preises und einer hohen Schaltgeschwindigkeit, so dass die Koppeleinheit 500 innerhalb einer geringen Zeit auf ein Steuersignal beziehungsweise eine Änderung des Steuersignals reagieren kann.

Die Figur 9 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Batteriemoduls 600 mit der Koppeleinheit 500. Eine Mehrzahl von Batteriezellen 402 ist zwischen die Eingänge einer Koppeleinheit 500 in Reihe geschaltet. Auch diese

Ausführungsform des Batteriemoduls 600 ist nicht auf eine solche

Reihenschaltung von Batteriezellen 402 beschränkt, es kann wiederum auch nur eine einzelne Batteriezelle 402 vorgesehen sein oder aber eine Parallelschaltung oder gemischt-seriell-parallele Schaltung von Batteriezellen 402. Das

Batteriemodul 600 bietet gegenüber dem Batteriemodul 400 der Figuren 5 und 6 den Vorteil, dass die Batteriezellen 402 durch die Koppeleinheit 500 von der restlichen Batterie beidseitig abgekoppelt werden können, was einen gefahrlosen Austausch im laufenden Betrieb ermöglicht, da an keinem Pol der Batteriezellen 402 die gefährliche hohe Summenspannung der restlichen Batteriemodule der Batterie anliegt.

Figur 10 zeigt eine Ausführungsform eines Batteriesystems 700. Das

Batteriesystem 700 umfasst ein Batteriemodul 702, das ein erstes Batteriemodul bildet, und eine Mehrzahl an weiteren Batteriemodulen 400, wie durch Punkte in der Figur 10 angedeutet ist, die jeweils ein zweites Batteriemodul bilden.

Außerdem umfasst das Batteriesystem 700 einen Tiefsetzsteller 704, der einen Gleichspannungswandler bildet, mehrere Koppeleinheiten 500, wie durch Punkte in der Figur 10 angedeutet ist, und einen Kondensator 706, der einen

Gleichspannungszwischenkreis bildet.

Die zweiten Batteriemodule 400 umfassen, wie in den Figuren 5, 6 und 9 gezeigt, eine Reihenschaltung einzelner Batteriezellen 402. Die Koppeleinheiten 500 umfassen jeweils die drei Schalter 510, 512, 514, wie in Figur 8 gezeigt. Der Tiefsetzsteller 704 umfasst einen ersten Schalter 708 an einem ersten Eingang 710, sowie einen zweiten Schalter 712 zwischen dem ersten Eingang 710 und einem zweiten Eingang 714. Der erste Schalter 708 und der zweite Schalter 712 bilden bezüglich der Eingänge 710, 714 eine Reihenschaltung. Dem zweiten

Schalter 712 ist eine Reihenschaltung einer Spule 716, die eine Induktivität bildet, und eines dritten Schalters 718 parallel geschaltet. Ein Knoten zwischen der Spule 716 und dem dritten Schalter 718 bildet einen Ausgang 720 des Tiefsetzstellers 704.

Das erste Batteriemodul 702 ist an den Eingängen 710, 714 mit dem

Tiefsetzsteller 704 verbunden und legt eine Batteriemodulspannung zwischen den Eingängen 710, 714 an. Der Ausgang 720 des Tiefsetzstellers 704 ist mit einem Ende des Kondensators 706 verbunden, dessen anderes Ende an Masse liegt. Die zweiten Batteriemodule 400 sind jeweils mit den Koppeleinheiten 500 verbunden, wie in der Figur 9 gezeigt. Die Koppeleinheiten 500 können durch die Schalter 510, 512 die Batteriezellen 402 der Batteriemodule 400 ankoppeln oder abkoppeln. Mittels des Schalters 514 können die Koppeleinheiten 500 die Batteriemodule 400 überbrücken. In gleicher Weise ist anstatt der Koppeleinheit 500 auch die in den Figuren 5 und 6 gezeigte Koppeleinheit 300 verwendbar.

Die Koppeleinheiten 500 sind in Reihe geschaltet und bilden zusammen mit den zweiten Batteriemodulen 400 einen Batteriemodulstrang. Der

Batteriemodulstrang ist am unteren Ende, das heißt am unteren

Spannungspotenzial, mit Masse verbunden und am oberen Ende, das heißt am oberen Spannungspotenzial, mit dem zweiten Eingang 714 des Tiefsetzstellers 704 bzw. dem unteren Spannungspotenzial des ersten Batteriemoduls 702 verbunden. Die Schalter 510, 512, 514, 708, 712, 718 sind von einer Batteriesteuereinheit derart ansteuerbar, dass das Batteriesystem 700 eine kontinuierliche und langsam ansteigende Ladespannung bzw. Ausgangsspannung am Kondensator 706 erzeugt, um das Batteriesystem 700 in Betrieb zu nehmen, wobei die Batteriesteuereinheit folgendes Verfahren ausführt.

Zuerst werden alle Batteriezellen aller zweiten Batteriemodule durch die Schalter 510, 512 abgekoppelt, anschließend werden die Schalter 514 geschlossen, um die zweiten Batteriemodule 400 zu überbrücken. Auch der Schalter 718 wird geschlossen und bewirkt eine Überbrückung des ersten Batteriemoduls 702 bzw. des Tiefsetzstellers 704. Das Abkoppeln vor dem Überbrücken verhindert dabei Kurzschlüsse der zweiten Batteriemodule. Das Überbrücken bewirkt am

Kondensator 706 eine Ausgangsspannung von null Volt. Die Verfahrensschritte Abkoppeln und Überbrücken bilden zusammen Initialisierungsschritte, die das

Batteriesystem 700 in einen definierten Ausgangszustand für weitere Schritte zur Inbetriebnahme des Batteriesystems 700 bringt.

Nach dem Initialisierungsschritt wird in einem dritten Schritt zunächst der Tiefsetzsteller 704 hinzugeschaltet. Die Schalter 708, 712 werden dabei von der

Batteriesteuereinheit derart in einem veränderlichen Tastgrad betätigt, dass der Tiefsetzsteller 704 wenigstens eine Spannungszwischenstufe erzeugt, beispielsweise eine halbe Batteriemodulspannung, oder eine langsam

ausgehend von null Volt ansteigende Spannung erzeugt und diese bis zur Spannung des ersten Batteriemoduls 702 erhöht. Der Kondensator 706 wird dadurch in einem vierten Schritt langsam und kontinuierlich aufgeladen, sodass kein hoher Spannungssprung anliegt und Strompulse verringert oder verhindert werden. Nach Erreichen der Spannung des ersten Batteriemoduls 702 oder der

Spannungszwischenstufe wird der Tiefsetzsteller 704 in einem fünften Schritt mittels des Schalters 718 überbrückt und gleichzeitig in einem sechsten Schritt ein zweites Batteriemodul 400 mittels einer Koppeleinheit 500 hinzugeschaltet. Das erste Batteriemodul 702 ist dabei insbesondere baugleich mit den zweiten Batteriemodulen 400 ausgebildet und liefert im Wesentlichen die gleiche

Batteriemodulspannung wie diese. Durch das Überbrücken des Tiefsetzstellers 704 und gleichzeitiges Hinzuschalten eines zweiten Batteriemoduls 400 erfährt der Kondensator 706 also keine oder nur eine geringe Spannungsänderung, so dass Strompulse verringert oder verhindert werden.

Die Schritte drei bis fünf werden dabei entsprechend der Anzahl der zweiten Batteriemodule wiederholt. Dabei übernimmt der Tiefsetzsteller 704 jeweils die langsame und kontinuierliche Aufladung zwischen zwei Spannungsstufen, das heißt zwischen zwei Batteriemodulspannungen. Sind alle zweiten Batteriemodule hinzugeschaltet, ist eine Sollspannung am Kondensator 706 erreicht und das

Batteriesystem 700 in Betrieb genommen. Das Batteriesystem 700 kann anschließend über den Kondensator 706 einen Pulswechselrichter und beispielsweise das Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs versorgen.

Claims

Batteriesystem (700) mit

einem Gleichspannungszwischenkreis (706), einer Batteriesteuereinheit und einer mit dem Gleichspannungszwischenkreis (706) verbundenen Batterie, umfassend

wenigstens einen Batteriemodulstrang, der eine Reihenschaltung einer Mehrzahl von Batteriemodulen (400, 60, 702) umfasst,

wobei die Mehrzahl von Batteriemodulen (400, 600, 702) wenigstens ein erstes Batteriemodul (702) und ein zweites Batteriemodul (400) umfasst, wobei das zweite Batteriemodul (400) wenigstens eine Batteriezelle (402) umfasst und mit einer Koppeleinheit (300, 500) verbunden ist,

wobei die Koppeleinheit (300, 500) von der Batteriesteuereinheit derart ansteuerbar ist, dass sie das zweite Batteriemodul (400) überbrückt oder dem Batteriemodulstrang hinzuschaltet und so eine am

Gleichspannungszwischenkreis (706) anliegende Ausgangsspannung in mehreren Spannungsstufen einstellt,

gekennzeichnet durch

einen Gleichspannungswandler (704), der zum zweiten Batteriemodul (400) in Reihe geschaltet ist und der mit dem ersten Batteriemodul (702) verbunden ist, wobei der Gleichspannungswandler (704) ausgelegt ist, den Gleichspannungszwischenkreis (706) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Spannungsstufen mit wenigstens einer Spannungszwischenstufe aufzuladen.

Batteriesystem (700) nach Anspruch 1 , bei welchem der

Gleichspannungswandler (704) einen Synchronwandler, insbesondere einen Tiefsetzsteller (704), umfasst. Batteriesystem (700) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei welchem der Gleichspannungswandler (704) ein Schaltelement (718) zum Überbrücken des Gleichspannungswandlers (704) umfasst. Batteriesystem (700) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Gleichspannungswandler (704) wenigstens ein weiteres Schaltelement (708, 712) umfasst, das von der Batteriesteuereinheit derart in einem veränderbaren Tastgrad schaltbar ist, dass der

Gleichspannungswandler (704) mehrere sukzessive ansteigende

Spannungszwischenstufen erzeugt.

Batteriesystem (700) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Gleichspannungszwischenkreis (706) einen Kondensator (706) umfasst.

Batteriesystem (700) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das erste (702) und das zweite Batteriemodul (400) identisch ausgebildet sind.

Kraftfahrzeug mit einem Batteriesystem (700) nach einem der

vorhergehenden Ansprüche, wobei das Batteriesystem (700) mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.

Verfahren zur Inbetriebnahme eines Batteriesystems mit einem

Gleichspannungszwischenkreis, einer Batteriesteuereinheit, einer mit dem Gleichspannungszwischenkreis verbundenen Batterie, umfassend wenigstens einen Batteriemodulstrang, der eine Reihenschaltung einer Mehrzahl von Batteriemodulen umfasst, wobei die Mehrzahl von

Batteriemodulen wenigstens ein erstes und ein zweites Batteriemodul umfasst, wobei das zweite Batteriemodul wenigstens eine Batteriezelle und eine Koppeleinheit umfasst, die mit der wenigstens einen Batteriezelle verbunden ist, wobei das Verfahren wenigstens die folgenden Schritte umfasst:

a) Abkoppeln der wenigstens einen Batteriezelle des zweiten Batteriemoduls durch die Koppeleinheit,

b) ausgangsseitiges Überbrücken aller in Reihe geschalteten

Batteriemodule, sodass eine am Gleichspannungszwischenkreis anliegende Ausgangsspannung Null wird,

d) Aufladen des Gleichspannungszwischenkreises über den Gleichspannungswandler um wenigstens eine Spannungszwischenstufe, e) Überbrücken des Gleichspannungswandlers und des ersten

Batteriemoduls,

f) Hinzuschalten eines zweiten Batteriemoduls mittels der Koppeleinheit und Ankoppeln der wenigstens einen Batteriezelle des zweiten Batteriemoduls durch die Koppeleinheit.

9. Verfahren nach Anspruch 8 umfassend den Schritt

g) Wiederholen der Schritte c) bis f), bis eine vorbestimmte Sollspannung am Gleichspannungszwischenkreis erreicht ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9 umfassend den Schritt

h) Inbetriebnahme des Batteriesystems und Versorgen eines am

Gleichspannungszwischenkreis angeschlossenen Antriebssystems oder Pulswechselrichters mit der vorbestimmten Sollspannung.