WO2014012794A1 - Batterie und kraftfahrzeug mit batterie - Google Patents

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WO2014012794A1
WO2014012794A1 PCT/EP2013/064105 EP2013064105W WO2014012794A1 WO 2014012794 A1 WO2014012794 A1 WO 2014012794A1 EP 2013064105 W EP2013064105 W EP 2013064105W WO 2014012794 A1 WO2014012794 A1 WO 2014012794A1
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battery
battery module
coupling unit
switching elements
voltage
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PCT/EP2013/064105
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Inventor
Stefan Butzmann
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Samsung Sdi Co., Ltd.
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/18—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries of two or more battery modules
    • B60L58/21—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries of two or more battery modules having the same nominal voltage
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • B60L58/18—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries of two or more battery modules
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/4207—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells for several batteries or cells simultaneously or sequentially
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
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    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
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    • 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

  • Battery and motor vehicle with battery The present invention relates to a battery with at least one
  • the battery module string has at least one
  • Battery module with two battery module terminals on and a first
  • Battery cell group includes at least one battery cell and a first coupling unit. Furthermore, the invention relates to a motor vehicle with the battery.
  • Battery systems for use in motor vehicles also called traction batteries, are known to interconnect a plurality of individual battery cells or battery modules comprising battery cells. Compared to consumer batteries such battery systems have a relatively higher battery capacity. In order to be able to supply sufficient power in any driving state of the motor vehicle, for example during startup, such battery systems are designed with high current resistance. Through a serial interconnection of battery cells or battery modules, the nominal voltage of the battery system is set, a parallel connection of battery cells or battery modules is often additionally applied to increase the battery system capacity.
  • FIG. 1 shows such a known battery 100, which has a plurality of battery module strings 102, which in turn each comprise a series connection of a plurality of lithium-ion battery cells 104.
  • the lithium-ion battery cells 104 are each one
  • Half-bridge coupling circuit 106 upstream which has two semiconductor switches 108 and ensures that the respective battery module 104 is either connected to the series circuit or bridged.
  • FIG 2 is a known development of the
  • Half-bridge coupling circuit 106 namely a
  • the H-bridge circuit has four
  • Lithium-ion battery cell 104 optionally polarized positive or negative
  • the battery system has a battery that
  • Each battery module includes one
  • Coupling unit which is designed to decouple the battery module from the battery module string, to bridge the battery module or to connect the battery module with the other battery modules in series, so that a voltage on the battery module strand can be variably adjusted, that is raised or lowered.
  • a battery which comprises at least one battery module string.
  • the battery module string has at least one
  • Battery module with two battery module terminals on, as well as a first
  • Each battery cell group comprises at least one battery cell and a first coupling unit.
  • the first coupling unit comprises at least two diodes and four switching elements. Alternatively, the coupling unit comprises at least six switching elements.
  • the first coupling unit optionally applies a battery module voltage or a fraction of a
  • the battery according to the invention advantageously allows a stepwise adjustable battery voltage.
  • the battery voltage was previously only in large
  • the first coupling unit of the battery according to the invention forms in particular a multi-level converter
  • Battery modules can be achieved, that is by battery modules, which have few battery cells.
  • the disadvantage would be the higher cost of cables, connectors, security electronics, communication, cooling and the like.
  • the battery according to the invention allows smaller voltage levels, without having to reduce the number of battery cells in a battery module.
  • Battery cell each having a subcircuit connected in parallel, comprising a series circuit of one of the diodes and one of the switching elements, wherein the diodes of the two subcircuits a common first
  • Switching element subcircuit can be connected in parallel, the one
  • Series connection of two switching elements comprises and wherein the coupling unit can form a half-bridge circuit.
  • the coupling unit can form a half-bridge circuit.
  • the half-bridge circuit allows in particular a full
  • the first coupling unit can, for example, from a
  • the second coupling unit is an H-bridge circuit.
  • the H-bridge circuit selectively allows one to apply a positive full battery module voltage, a positive half battery module voltage, a negative full battery module voltage, and one negative half battery module voltage to the battery module terminals, with a battery management unit correspondingly opening or switching the switching elements relative to the positive battery module voltage closes.
  • the second coupling unit also makes it possible to uniformly load the two battery cell groups, that is, to obtain half the battery module voltage selectively from the first battery cell group or the second battery cell group.
  • the first and the second battery cell group may each have a further subcircuit connected in parallel, which comprises a series connection of one of the diodes and one of the switching elements, wherein the diodes of the two further subcircuits have a common third switching element subcircuit connected in parallel, the one
  • Subcircuits and the third switching element subcircuit form a further first coupling unit, which together with the first coupling unit form a modified second coupling unit.
  • the second coupling unit is in particular a
  • the embodiment of the modified second coupling unit selectively allows one positive full battery module voltage, one positive half battery module voltage, one negative, full one
  • the modified second coupling unit essentially allows a good balancing of the battery cell groups.
  • the battery module voltage or a fraction of the battery module voltage may be present.
  • the battery module terminals can serve for a series connection with further battery modules, with a series connection of battery modules in particular forming the battery module string.
  • a battery module string may form a phase with multiple battery module strings forming a multi-phase system.
  • Battery module string comprise the battery module with the first coupling unit and at least one further battery module with a third coupling unit.
  • the third coupling unit has in particular an H-bridge circuit with four switching elements.
  • the second coupling unit has exactly four switching elements and in particular no diodes or other switching elements.
  • Battery module string include the battery module with the first coupling unit and at least one further battery module with a fourth coupling unit.
  • the fourth coupling unit has, in particular, a half-bridge circuit with two switching elements.
  • the fourth coupling unit has exactly two switching elements and in particular no diodes or other switching elements.
  • a battery module string comprises a plurality of battery modules with different combinations of coupling units, for example first and fourth coupling units.
  • the at least one battery cell is preferably a lithium-ion battery cell.
  • FIG. 2 shows a coupling unit from the prior art
  • FIG. 3 shows a battery module according to an exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 4 shows a battery module according to a further exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 5 shows a battery module according to a further exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 6 shows a battery module string according to a further exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 7 shows a battery module string according to a further exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 8 shows a battery module string according to a further exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 3 shows a battery module 300 according to one exemplary embodiment of the invention.
  • the battery module 300 comprises a first and a second battery module terminal 302, 303, to which a voltage of the battery module 300 is applied. Furthermore, the battery module 300 comprises a first
  • the battery cell groups 304, 306 each include six
  • the Battery cell groups three, four or more battery cells or each different numbers of battery cells.
  • the battery module 300 comprises a first coupling unit 31 0.
  • the first coupling unit 31 0 in turn comprises two subcircuits 312, 314
  • Subcircuit 312 includes a series circuit of a switching element 316 and a diode 318.
  • the subcircuit 314 comprises a series circuit of a diode 320 and a switching element 322.
  • the first coupling unit 31 0 further comprises a first switching element subcircuit 324 having a
  • the first switching element subcircuit 324 is connected in parallel with the diodes 318, 320.
  • the first battery module terminal 302 is connected between the switching elements 326, 328 of the switching element subcircuit 324.
  • Battery module terminal 303 is connected to a lowest battery cell potential of the battery module, that is with a negative pole of the second
  • At the first battery cell group 304 is the sum of the voltages of the six battery cells 308, namely a voltage UBZGJ-
  • At the second battery cell group 306 is a voltage U B ZG_2, which is about the same number of battery cells 308 and the same state of charge approximately UBZGJ.
  • the sum of the voltages UBZGJ and U B ZG_2 forms one
  • Battery module voltage U B correspond to M / 2.
  • a battery management unit or other control unit may be
  • UBM 2 (provides second 326 316, 328 and battery cell group 306) 322
  • UBM 2 (delivers first 322, 316 and 328
  • the half battery module voltages U B M / 2 form advantageous smaller ones
  • FIG. 4 shows a battery module 400, which is designed similarly to the battery module 300 and comprises the following circuit components:
  • the second coupling unit 410 includes two
  • Subcircuits 412, 414 Subcircuits 412, 414.
  • Subcircuit 412 includes a switching element 416 and a diode 418
  • subcircuit 414 includes a diode 420 and a switching element 422.
  • coupling unit 410 includes a second one
  • Switching element subcircuit 424 with two switching elements 426, 428. As far as the arrangement or circuit with the battery module 300 is identical.
  • the battery module terminal 403 is connected between the two switching elements 426, 428 of the second switching element subcircuit. Further, in this embodiment, the battery module 400 includes a third switching element subcircuit 430 that is similar to the second one
  • Switching element subcircuit comprises two switching elements 432, 434.
  • Battery module terminal 402 is disposed between the two switching elements 432, 434 of the third switching element subcircuit.
  • a voltage UBZGJ At the first battery cell group 404 is applied to a voltage UBZGJ.
  • a voltage U B ZG_2 At the second battery cell group 306 is a voltage U B ZG_2 on.
  • the sum of the voltages UBZGJ and U B ZG_2 forms a battery module voltage U B M, where UBZGJ or U B ZG_2 taken alone a fraction of the
  • Battery module voltage U B M, ZB correspond to a half battery module voltage U B M / 2.
  • a battery management unit or other control unit may be
  • Switching elements 412, 426, 428, 422, 432 and 434 for example, switch as follows, with the following voltages applied to the battery module terminals 402, 403:
  • the coupling unit 410 forms, in particular, an H-bridge circuit which optionally has the whole, half, negative whole and negative half
  • FIG. 5 shows a battery module 500 which clamps two battery module
  • the modified second coupling unit 510 in the form of a
  • the modified second coupling unit 510 comprises a plurality of diodes and a plurality of switching elements 508, 509, 512, 514, 516, 518, 520, 522, which are provided by a
  • Battery management unit or other control unit similar to the battery modules 300 and 400 for example, be switched as follows and optionally apply the following voltages to the battery module terminals 502, 503:
  • Multilevel converter In this case, multi-level converter higher order with other switching elements and / or diodes can be produced, the smaller
  • FIGS. 6, 7 and 8 show various combinations of the battery modules with the coupling units 106, 200, 310, 410 and 510.
  • FIG. 6 shows a battery module string 600, which comprises a series connection of a plurality of battery modules 602, wherein a part of the battery modules 602 respectively Coupling unit 200 and the remaining part of the battery modules 602 each include the coupling unit 510.
  • FIG. 7 shows a battery module string 700 comprising a series connection of a number n of battery modules 702, where n-1 battery modules 702 each comprise the coupling unit 200. The nth
  • Battery module 702 includes the coupling unit 310.
  • FIG 8 is a
  • Battery module string 800 which is a series connection of several
  • Battery module 802 comprises, wherein a part of the battery modules 802 each include the coupling unit 106 and the remaining part of the battery modules 802 respectively the coupling unit 310.
  • the order of the battery modules with different coupling units may be arbitrary within a battery module string.
  • Multiple battery module strings 600, 700, 800 may form a battery used in a motor vehicle as a traction battery, for example.

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Abstract

Es wird eine Batterie beschrieben, die wenigstens einen Batteriemodulstrang (600; 700; 800) umfasst. Der Batteriemodulstrang (600; 700; 800) weist wenigstens ein Batteriemodul (300; 400; 500; 602; 702; 802) mit zwei Batteriemodulklemmen (302, 303; 402, 403; 502, 503) auf, sowie eine erste Batteriezellengruppe (304, 306; 404, 406; 504, 506) und eine zweite Batteriezellengruppe (304, 306; 404, 406; 504, 506). Jede Batteriezellengruppe (304, 306; 404, 406; 504, 506) umfasst wenigstens eine Batteriezelle (308; 408) und eine erste Koppeleinheit (310; 410; 510). Die erste Koppeleinheit (310; 410; 510) umfasst wenigstens zwei Dioden (318, 320; 418, 420) und vier Schaltelemente (316, 322, 326, 328; 416, 422, 426, 428, 432, 434; 508, 512, 514, 516, 518, 520, 522). Alternativ umfasst die erste Koppeleinheit wenigstens sechs Schaltelemente (316, 322, 326, 328; 416, 422, 426, 428, 432, 434; 508, 512, 514, 516, 518, 520, 522). Die erste Koppeleinheit (310; 410; 510) legt wahlweise eine Batteriemodulspannung oder einen Bruchteil einer Batteriemodulspannung an die zwei Batteriemodulklemmen (302, 303; 402, 403; 502, 503) an. Ferner wird ein Kraftfahrzeug mit der Batterie beschrieben.

Description

Beschreibung
Titel
Batterie und Kraftfahrzeug mit Batterie Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie mit wenigstens einem
Batteriemodulstrang. Der Batteriemodulstrang weist wenigstens ein
Batteriemodul mit zwei Batteriemodulklemmen auf sowie eine erste
Batteriezellengruppe und eine zweite Batteriezellengruppe. Jede
Batteriezellengruppe umfasst wenigstens eine Batteriezelle und eine erste Koppeleinheit. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit der Batterie.
Stand der Technik
Batteriesysteme zur Anwendung in Kraftfahrzeugen, auch Traktionsbatterien genannt, bezeichnen bekanntermaßen eine Zusammenschaltung von mehreren einzelnen Batteriezellen oder Batteriemodulen, die Batteriezellen umfassen. Im Vergleich zu Konsumerbatterien besitzen solche Batteriesysteme eine vergleichsweise höhere Batteriekapazität. Um in jedem Fahrzustand des Kraftfahrzeugs, etwa während des Anfahrens, ausreichend Leistung liefern zu können, sind solche Batteriesysteme hochstromfest ausgelegt. Durch eine serielle Zusammenschaltung von Batteriezellen oder Batteriemodulen wird die Nennspannung des Batteriesystems festgelegt, eine Parallelschaltung von Batteriezellen oder Batteriemodulen wird häufig zusätzlich angewendet, um die Batteriesystemkapazität zu erhöhen. In der Figur 1 ist eine solche bekannte Batterie 100 gezeigt, die mehrere Batteriemodulstränge 102 aufweist, die wiederum jeweils eine Reihenschaltung mehrerer Lithium-Ionen-Batteriezellen 104 umfassen. Den Lithium-Ionen-Batteriezellen 104 ist jeweils eine
Halbbrücken-Koppelschaltung 106 vorgeschaltet, die zwei Halbleiterschalter 108 aufweist und dafür sorgt, dass das jeweilige Batteriemodul 104 entweder mit der Reihenschaltung verbunden oder überbrückt ist. In der Figur 2 ist eine bekannte Weiterentwicklung der
Halbbrücken-Koppelschaltung 106 gezeigt, nämlich eine
H-Brücken-Koppelschaltung 200. Die H-Brückenschaltung weist vier
Halbleiterschalter 108 auf, die dafür sorgen, dass die mit der H-Brückenschaltung verbundene Lithium-Ionen-Batteriezelle 104 mit der Reihenschaltung weiterer Batteriezellen wahlweise verbunden oder überbrückt wird. Des Weiteren
ermöglicht die H-Brückenschaltung 200 eine Spannung der
Lithium-Ionen-Batteriezelle 104 wahlweise positiv oder negativ gepolt
auszugeben.
Aus der DE 10 2010 041 014 ist ferner ein Verfahren zum Betreiben eines
Batteriesystems bekannt. Das Batteriesystem weist eine Batterie auf, die
ihrerseits einen Batteriemodulstrang mit einer Mehrzahl von in Reihe
geschalteten Batteriemodulen aufweist. Jedes Batteriemodul umfasst eine
Koppeleinheit, die ausgelegt ist, das Batteriemodul vom Batteriemodulstrang abzukoppeln, das Batteriemodul zu überbrücken oder das Batteriemodul mit den anderen Batteriemodulen in Reihe zu verschalten, so dass eine Spannung am Batteriemodulstrang variabel eingestellt, das heißt erhöht oder abgesenkt werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Batterie zur Verfügung gestellt, die wenigstens einen Batteriemodulstrang umfasst. Der Batteriemodulstrang weist wenigstens ein
Batteriemodul mit zwei Batteriemodulklemmen auf, sowie eine erste
Batteriezellengruppe und eine zweite Batteriezellengruppe. Jede Batteriezellengruppe umfasst wenigstens eine Batteriezelle und eine erste Koppeleinheit. Die erste Koppeleinheit umfasst wenigstens zwei Dioden und vier Schaltelemente. Alternativ umfasst die Koppeleinheit wenigstens sechs Schaltelemente. Die erste Koppeleinheit legt wahlweise eine Batteriemodulspannung oder einen Bruchteil einer
Batteriemodulspannung an die zwei Batteriemodulklemmen an.
Ferner wird ein Fahrzeug zur Verfügung gestellt, das die erfindungsgemäße
Batterie umfasst, wobei die Batterie mit einem Antriebssystem des
Kraftfahrzeugs verbunden ist. Die erfindungsgemäße Batterie erlaubt auf vorteilhafte Weise eine stufenweise einstellbare Batteriespannung. Bei herkömmlichen Batterien mit Batteriemodulen und Koppeleinheiten war die Batteriespannung bisher lediglich in großen
Spannungsstufen einstellbar, wobei eine Spannungsstufe der Spannung eines Batteriemoduls entsprach. Die erste Koppeleinheit der erfindungsgemäßen Batterie bildet jedoch insbesondere einen Multi-Level-Konverter, der
beispielsweise auch einen Bruchteil einer Batteriemodulspannung an die
Batteriemodulklemmen anlegen kann. Dadurch kann die Batteriespannung insgesamt feiner, das heißt in kleineren Spannungsstufen eingestellt werden.
Zwar könnten kleinere Spannungsstufen auch durch kleiner ausgelegte
Batteriemodule erreicht werden, das heißt durch Batteriemodule, die wenige Batteriezellen aufweisen. Nachteilig wäre dabei jedoch der höhere Aufwand an Leitungen, Steckverbindern, Sicherheitselektronik, Kommunikation, Kühlung und dergleichen. Die erfindungsgemäße Batterie ermöglicht dagegen kleinere Spannungsstufen, ohne die Zahl der Batteriezellen in einem Batteriemodul reduzieren zu müssen.
Bei der alternativen Koppeleinheit mit wenigstens sechs Schaltelementen können mehrere davon, z. B. zwei Schaltelemente, die Funktion der Dioden
übernehmen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung kann der ersten und der zweiten
Batteriezellengruppe jeweils eine Teilschaltung parallel geschaltet sein, die eine Reihenschaltung aus einer der Dioden und einem der Schaltelemente umfasst, wobei den Dioden der zwei Teilschaltungen eine gemeinsame erste
Schaltelement-Teilschaltung parallel geschaltet sein kann, die eine
Reihenschaltung aus zwei Schaltelementen umfasst und wobei die Koppeleinheit eine Halbbrückenschaltung bilden kann. Dabei kann die erste
Batteriemodulklemme mit einem niedrigsten Batteriezellenpotential des
Batteriemoduls verbunden sein.
Die Halbbrückenschaltung ermöglicht insbesondere eine volle
Batteriemodulspannung oder eine halbe Batteriemodulspannung an die
Batteriemodulspannung anzulegen, wobei die halbe Batteriemodulspannung vorzugsweise der Spannung der ersten oder der zweiten Batteriezellengruppe entspricht. Die erste Koppeleinheit kann dazu beispielsweise von einer
Batteriezellenmanagementeinheit angesteuert werden.
Ferner ist es wünschenswert, dass der ersten und der zweiten
Batteriezellengruppe eine gemeinsame zweite Schaltelement-Teilschaltung parallel geschaltet ist, wobei die zweite Schaltelement-Teilschaltung und die erste Koppeleinheit eine zweite Koppeleinheit bilden. Insbesondere ist die zweite Koppeleinheit eine H-Brückenschaltung. Die H-Brückenschaltung ermöglicht es beispielsweise wahlweise, eine positive volle Batteriemodulspannung, eine positive halbe Batteriemodulspannung, eine negative, also gegenüber der positiven Batteriemodulspannung verpolte, volle Batteriemodulspannung und eine negative halbe Batteriemodulspannung an die Batteriemodulklemmen anzulegen, wobei eine Batteriemanagementeinheit die Schaltelemente dazu entsprechend öffnet oder schließt.
Die zweite Koppeleinheit ermöglicht außerdem die beiden Batteriezellengruppen gleichmäßig zu belasten, das heißt, die halbe Batteriemodulspannung wahlweise von der ersten Batteriezellengruppe oder der zweiten Batteriezellengruppe zu beziehen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der ersten und der zweiten Batteriezellengruppe jeweils eine weitere Teilschaltung parallel geschaltet sein, die eine Reihenschaltung aus einer der Dioden und einem der Schaltelemente umfasst, wobei den Dioden der zwei weiteren Teilschaltungen eine gemeinsame dritte Schaltelement-Teilschaltung parallel geschaltet ist, die eine
Reihenschaltung aus zwei Schaltelementen umfasst. Die weiteren
Teilschaltungen und die dritte Schaltelement-Teilschaltung bilden eine weitere erste Koppeleinheit, die zusammen mit der ersten Koppeleinheit eine modifizierte zweite Koppeleinheit bilden. Die zweite Koppeleinheit ist insbesondere eine
H-Brückenschaltung.
Die Ausführungsform der modifizierten zweiten Koppeleinheit ermöglicht es beispielsweise wahlweise, eine positive volle Batteriemodulspannung, eine positive halbe Batteriemodulspannung, eine negative, volle
Batteriemodulspannung und eine negative halbe Batteriemodulspannung an die Batteriemodulklemmen anzulegen, wobei eine Batteriemanagementeinheit die Schaltelemente dazu entsprechend öffnet oder schließt. Außerdem erlaubt die modifizierte zweite Koppeleinheit im Wesentlichen eine gute Symmetrierung der Batteriezellengruppen.
Zwischen den zwei Schaltelementen der ersten, der zweiten oder der dritten Schaltelement-Teilschaltung kann die zweite Batteriemodulklemme
angeschlossen sein. An der ersten und zweiten Batteriemodulklemme kann die Batteriemodulspannung bzw. ein Bruchteil der Batteriemodulspannung anliegen. Die Batteriemodulklemmen können für eine Reihenschaltung mit weiteren Batteriemodulen dienen, wobei eine Reihenschaltung von Batteriemodulen insbesondere den Batteriemodulstrang bildet. Ein Batteriemodulstrang kann eine Phase bilden, wobei mehrere Batteriemodulstränge ein Mehrphasensystem bilden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der wenigstens eine
Batteriemodulstrang das Batteriemodul mit der ersten Koppeleinheit und wenigstens ein weiteres Batteriemodul mit einer dritten Koppeleinheit umfassen. Die dritte Koppeleinheit weist insbesondere eine H-Brückenschaltung mit vier Schaltelementen auf. Vorzugsweise weist die zweite Koppeleinheit genau vier Schaltelemente und insbesondere keine Dioden oder weitere Schaltelemente auf.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung kann der wenigstens eine
Batteriemodulstrang das Batteriemodul mit der ersten Koppeleinheit und wenigstens ein weiteres Batteriemodul mit einer vierten Koppeleinheit umfassen. Die vierte Koppeleinheit weist insbesondere eine Halbbrückenschaltung mit zwei Schaltelementen auf. Vorzugsweise weist die vierte Koppeleinheit genau zwei Schaltelemente und insbesondere keine Dioden oder weitere Schaltelemente auf.
Es ist ferner bevorzugt, dass ein Batteriemodulstrang mehrere Batteriemodule mit verschiedenen Kombinationen von Koppeleinheiten umfasst, beispielsweise erste und vierte Koppeleinheiten.
Die wenigstens eine Batteriezelle ist bevorzugt eine Lithium-Ionen-Batteriezelle. Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Batterie aus dem Stand der Technik,
Figur 2 eine Koppeleinheit aus dem Stand der Technik,
Figur 3 ein Batteriemodul gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 4 ein Batteriemodul gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 5 ein Batteriemodul gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 6 einen Batteriemodulstrang gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 7 einen Batteriemodulstrang gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
Figur 8 einen Batteriemodulstrang gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
In der Figur 3 ist ein Batteriemodul 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Das Batteriemodul 300 umfasst eine erste und eine zweite Batteriemodulklemme 302, 303, an denen eine Spannung des Batteriemoduls 300 anliegt. Ferner umfasst das Batteriemodul 300 eine erste
Batteriezellengruppe 304 und eine zweite Batteriezellengruppe 306. Die Batteriezellengruppen 304, 306 umfassen jeweils sechs
Lithium-Ionen-Batteriezellen 308. In anderen Ausführungsbeispielen können die Batteriezellengruppen drei, vier oder mehr Batteriezellen oder auch jeweils unterschiedliche Anzahlen von Batteriezellen umfassen.
Ferner umfasst das Batteriemodul 300 eine erste Koppeleinheit 31 0. Die erste Koppeleinheit 31 0 umfasst ihrerseits zwei Teilschaltungen 312, 314. Die
Teilschaltung 312 umfasst eine Reihenschaltung aus einem Schaltelement 316 und einer Diode 318. Die Teilschaltung 314 umfasst eine Reihenschaltung aus einer Diode 320 und einem Schaltelement 322. Die erste Koppeleinheit 31 0 umfasst ferner eine erste Schaltelement-Teilschaltung 324 mit einer
Reihenschaltung aus zwei Schaltelementen 326, 328. Dabei ist die Teilschaltung
312 der ersten Batteriezellengruppe 304 parallel geschaltet und die Teilschaltung 314 ist der zweiten Batteriezellengruppe 306 parallel geschaltet. Die erste Schaltelement-Teilschaltung 324 ist den Dioden 318, 320 parallel geschaltet.
Die erste Batteriemodulklemme 302 ist zwischen den Schaltelementen 326, 328 der Schaltelement-Teilschaltung 324 angeschlossen. Die zweite
Batteriemodulklemme 303 ist mit einem niedrigsten Batteriezellenpotential des Batteriemoduls verbunden, das heißt mit einem Minuspol der zweiten
Batteriezellengruppe 306.
An der ersten Batteriezellengruppe 304 liegt die Summe der Spannungen der sechs Batteriezellen 308 an, nämlich eine Spannung UBZGJ- An der zweiten Batteriezellengruppe 306 liegt eine Spannung UBZG_2 an, die bei gleicher Anzahl der Batteriezellen 308 und gleichem Ladungszustand in etwa gleich UBZGJ ist. Die Summe der Spannungen UBZGJ und UBZG_2 bildet eine
Batteriemodulspannung UBM, wobei UBZGJ bzw. UBZG_2 für sich genommen einem Bruchteil der Batteriemodulspannung UBM, Z. B. einer halben
Batteriemodulspannung UBM/2 entsprechen. Eine Batteriemanagementeinheit oder eine andere Steuerungseinheit kann die
Schaltelemente 316, 326, 328, 322 beispielsweise folgendermaßen schalten, wobei folgende Spannungen an den Batteriemodulklemmen 302, 303 anliegen: Spannung an Geschlossene Offene
Batteriemodulklemmen 302, 303 Schaltelemente Schaltelemente
UBM 316 und 326 328 und 322
0 V (Batteriemodul 300 328 und 322 316 und 326 überbrückt)
UBM 2 (liefert zweite 326 316, 328 und Batteriezellengruppe 306) 322
UBM 2 (liefert erste 322, 316 und 328
Batteriezellengruppe 304) 326
Die halben Batteriemodulspannungen UBM/2 bilden vorteilhafte kleinere
Spannungsstufen, als dies mit herkömmlichem Batteriemodul möglich ist.
In der Figur 4 ist ein Batteriemodul 400 gezeigt, das ähnlich dem Batteriemodul 300 ausgelegt ist und folgende Schaltungskomponenten umfasst:
Batteriemodulklemmen 402, 403, eine erste und eine zweite Batteriezellengruppe 404, 406, die jeweils die gleiche Anzahl an Batteriezellen 408 umfassen und eine zweite Koppeleinheit 410. Die zweite Koppeleinheit 410 umfasst zwei
Teilschaltungen 412, 414. Die Teilschaltung 412 umfasst ein Schaltelement 416 und eine Diode 418, und die Teilschaltung 414 umfasst eine Diode 420 und ein Schaltelement 422. Ferner umfasst die Koppeleinheit 410 eine zweite
Schaltelement-Teilschaltung 424 mit zwei Schaltelementen 426, 428. Soweit ist die Anordnung bzw. Schaltung mit dem Batteriemodul 300 identisch.
Die Batteriemodulklemme 403 ist jedoch zwischen den beiden Schaltelementen 426, 428 der zweiten Schaltelement-Teilschaltung angeschlossen. Ferner umfasst das Batteriemodul 400 in diesem Ausführungsbeispiel eine dritte Schaltelement-Teilschaltung 430, die ähnlich der zweiten
Schaltelement-Teilschaltung zwei Schaltelemente 432, 434 umfasst. Die
Batteriemodulklemme 402 ist zwischen den zwei Schaltelementen 432, 434 der dritten Schaltelement-Teilschaltung angeordnet.
An der ersten Batteriezellengruppe 404 liegt eine Spannung UBZGJ an. An der zweiten Batteriezellengruppe 306 liegt eine Spannung UBZG_2 an. Die Summe der Spannungen UBZGJ und UBZG_2 bildet eine Batteriemodulspannung UBM, wobei UBZGJ bzw. UBZG_2 für sich genommen einem Bruchteil der
Batteriemodulspannung UBM, Z. B. einer halben Batteriemodulspannung UBM/2 entsprechen. Eine Batteriemanagementeinheit oder eine andere Steuerungseinheit kann die
Schaltelemente 412, 426, 428, 422, 432 und 434 beispielsweise folgendermaßen schalten, wobei folgende Spannungen an den Batteriemodulklemmen 402, 403 anliegen:
Figure imgf000011_0001
Die Koppeleinheit 410 bildet insbesondere eine H-Brückenschaltung, die wahlweise die ganze, halbe, negative ganze und negative halbe
Batteriemodulspannung an den Batteriemodulklemmen 402, 403 bereitstellt. In der Figur 5 ist ein Batteriemodul 500 gezeigt, das zwei Batteriemodulklemmen
502, 503, zwei Batteriezellengruppen 504, 505 und eine modifizierte zweite Koppeleinheit 510 aufweist. Wird die Koppeleinheit 300 von Figur 3 zweimal vorgesehen und den Batteriezellengruppen 504, 505 parallel geschaltet bzw. die Koppeleinheit 400 mittels weiterer Diode und Schaltelemente modifiziert, so entsteht die modifizierte zweite Koppeleinheit 510 in Form einer
H-Brückenschaltung. Die modifizierte zweite Koppeleinheit 510 umfasst mehrere Dioden und mehrere Schaltelemente 508, 509, 512, 514, 516, 518, 520, 522, die von einer
Batteriemanagementeinheit oder einer anderen Steuerungseinheit ähnlich den Batteriemodulen 300 und 400 beispielsweise folgendermaßen geschaltet werden und wahlweise folgende Spannungen an die Batteriemodulklemmen 502, 503 anlegen:
Figure imgf000012_0001
Alle Ausführungsbeispiele der Koppeleinheiten 310, 410 und 510 bilden
Multi-Level-Konverter. Dabei sind auch Multi-Level-Konverter höherer Ordnung mit weiteren Schaltelementen und/oder Dioden herstellbar, die kleinere
Bruchteile der Batteriemodulspannung, etwas UBM/3, UBM/4, UBM/5, UBM/6 USW. , und dadurch noch feinere Spannungsstufen für einen Batteriemodulstrang bereitstellen können.
In den Figuren 6, 7 und 8 sind verschiedene Kombinationen der Batteriemodule mit den Koppeleinheiten 106, 200, 310, 410 und 510 gezeigt. In der Figur 6 ist ein Batteriemodulstrang 600 gezeigt, der eine Reihenschaltung mehrerer Batteriemodule 602 umfasst, wobei ein Teil der Batteriemodule 602 jeweils die Koppeleinheit 200 umfasst und der restliche Teil der Batteriemodule 602 jeweils die Koppeleinheit 510. In der Figur 7 ist ein Batteriemodulstrang 700 gezeigt, der eine Reihenschaltung einer Anzahl n Batteriemodule 702 umfasst, wobei n-1 Batteriemodule 702 jeweils die Koppeleinheit 200 umfassen. Das n-te
Batteriemodul 702 umfasst die Koppeleinheit 310. In der Figur 8 ist ein
Batteriemodulstrang 800 gezeigt, der eine Reihenschaltung mehrerer
Batteriemodule 802 umfasst, wobei ein Teil der Batteriemodule 802 jeweils die Koppeleinheit 106 umfasst und der restliche Teil der Batteriemodule 802 jeweils die Koppeleinheit 310. Die Reihenfolge der Batteriemodule mit unterschiedlichen Koppeleinheiten kann innerhalb eines Batteriemodulstranges beliebig sein.
Mehrere Batteriemodulstränge 600, 700, 800 können eine Batterie bilden, die in einem Kraftfahrzeug beispielsweise als Traktionsbatterie Anwendung findet.

Claims

Ansprüche
1 . Batterie mit
wenigstens einem Batteriemodulstrang (600; 700; 800) umfassend wenigstens ein Batteriemodul (300; 400; 500; 602; 702; 802) mit
zwei Batteriemodulklemmen (302, 303; 402, 403; 502, 503),
einer ersten Batteriezellengruppe (304, 306; 404, 406; 504, 506), einer zweiten Batteriezellengruppe (304, 306; 404, 406; 504, 506), wobei jede Batteriezellengruppe (304, 306; 404, 406; 504, 506) wenigstens eine Batteriezelle (308; 408) umfasst, und
einer ersten Koppeleinheit (310; 410; 510),
dadurch gekennzeichnet, dass die erste Koppeleinheit (310; 410; 510) wenigstens zwei Dioden (318, 320; 418, 420) und vier Schaltelemente (316, 322, 326, 328; 416, 422, 426, 428, 432, 434; 508, 512, 514, 516, 518, 520, 522) umfasst oder dass die erste Koppeleinheit (310; 410; 510) wenigstens sechs Schaltelemente (316, 322, 326, 328; 416, 422, 426, 428, 432, 434; 508, 512, 514, 516, 518, 520, 522) umfasst, und dass die erste
Koppeleinheit (310; 410; 510) wahlweise eine Batteriemodulspannung oder einen Bruchteil einer Batteriemodulspannung an die zwei
Batteriemodulklemmen (302, 303; 402, 403; 502, 503) anlegt.
2. Batterie nach Anspruch 1 , bei welcher der ersten und der zweiten
Batteriezellengruppe (304, 306; 404, 406; 504, 506) jeweils eine
Teilschaltung (312, 314; 412, 414) parallel geschaltet ist, die eine
Reihenschaltung aus einer der Dioden (318, 320; 418, 420) und einem der Schaltelemente (316, 322, 326, 328; 416, 422, 426, 428, 432, 434; 508, 512, 514, 516, 518, 520, 522) umfasst, wobei den Dioden (318, 320; 418, 420) der zwei Teilschaltungen (312, 314; 412, 414) eine gemeinsame erste Schaltelement-Teilschaltung (324, 424) parallel geschaltet ist, die eine Reihenschaltung aus zwei Schaltelementen (316, 322, 326, 328; 416, 422, 426, 428, 432, 434; 508, 512, 514, 516, 518, 520, 522) umfasst und wobei die erste Koppeleinheit (310; 410; 510) eine Halbbrückenschaltung bildet.
Batterie nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die erste Batteriemodulklemme (302, 303; 402, 403; 502, 503) mit einem niedrigsten Batteriezellenpotential des Batteriemoduls (300; 400; 500; 602; 702; 802) verbunden ist.
Batterie nach Anspruch 2 oder 3, bei welcher der ersten und der zweiten Batteriezellengruppe (304, 306; 404, 406; 504, 506) eine gemeinsame zweite Schaltelement-Teilschaltung (324, 424) parallel geschaltet ist, wobei die zweite Schaltelement-Teilschaltung (324, 424) und die erste
Koppeleinheit (310) eine zweite Koppeleinheit bilden (410).
Batterie nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei welcher der ersten und der zweiten Batteriezellengruppe (304, 306; 404, 406; 504, 506) jeweils eine weitere Teilschaltung (312, 314; 412, 414) parallel geschaltet ist, die eine Reihenschaltung aus einer der Dioden (318, 320; 418, 420) und einem der Schaltelemente (316, 322, 326, 328; 416, 422, 426, 428, 432, 434; 508, 512, 514, 516, 518, 520, 522) umfasst, wobei den Dioden (318, 320; 418, 420) der zwei weiteren Teilschaltungen (312, 314; 412, 414) eine gemeinsame dritte Schaltelement-Teilschaltung (324, 424) parallel geschaltet ist, die eine Reihenschaltung aus zwei Schaltelementen (316, 322, 326, 328; 416, 422, 426, 428, 432, 434; 508, 512, 514, 516, 518, 520, 522) umfasst, und bei welcher die weiteren Teilschaltungen (312, 314; 412, 414) und die dritte Schaltelement-Teilschaltung (324, 424) eine weitere erste Koppeleinheit bilden (310), die zusammen mit der ersten Koppeleinheit (310) eine modifizierte zweite Koppeleinheit (510) bildet.
Batterie nach Anspruch 5, bei welcher die erste oder zweite
Batteriemodulklemme (302, 303; 402, 403; 502, 503) zwischen den zwei Schaltelementen (326, 328; 426, 428, 432, 434; 508, 512, 514, 516, 518, 520, 522) der ersten, der zweiten oder der dritten
Schaltelemente-Teilschaltung (324, 424) angeschlossen ist.
Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der wenigstens eine Batteriemodulstrang (600; 700; 800) das Batteriemodul (300; 400; 500; 602; 702; 802) mit der ersten Koppeleinheit (310; 410; 510) und wenigstens ein weiteres Batteriemodul (300; 400; 500; 602; 702; 802) mit einer dritten Koppeleinheit umfasst, die eine H-Brückenschaltung mit vier Schaltelementen aufweist.
Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der wenigstens eine Batteriemodulstrang (600; 700; 800) das Batteriemodul (300; 400; 500; 602; 702; 802) mit der ersten Koppeleinheit (310; 410; 510) und wenigstens ein weiteres Batteriemodul (300; 400; 500; 602; 702; 802) mit einer vierten Koppeleinheit umfasst, die eine Halbbrückenschaltung mit zwei Schaltelementen aufweist.
Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine Batteriezelle (308; 408) eine Lithium-Ionen-Batteriezelle ist.
10. Kraftfahrzeug mit der Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
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