WO2018206201A1 - Batterievorrichtung mit zumindest einem modulstrang, in welchem moduleinheiten in einer reihe hintereinander verschaltet sind, sowie kraftfahrzeug und betriebsverfahren für die batterievorrichtung - Google Patents

Batterievorrichtung mit zumindest einem modulstrang, in welchem moduleinheiten in einer reihe hintereinander verschaltet sind, sowie kraftfahrzeug und betriebsverfahren für die batterievorrichtung Download PDF

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Michael Hinterberger
Berthold Hellenthal
André Blum
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Definitions

  • Battery device with at least one module strand, in which module units are connected in a row behind one another, and motor vehicle and operating method for the battery device
  • the invention relates to an electric battery or battery device having at least one module string.
  • Module string means that a plurality of module units are electrically connected in series in order to thereby add up partial voltages generated by the module units to a total voltage or battery voltage
  • a battery device is an electrical accumulator which can thus be charged and discharged In this way, one end of such a row is electrically connected to a battery terminal of the battery device an externally accessible electrical contact for tapping the total voltage of the module string.
  • Each of the said module units connected in series can have one battery module or several battery modules. If only one battery module, the module unit may be identical to the battery module, if all components of the module unit are integrated into the battery module.
  • a single battery module may include a plurality of battery cells and the galvanic cells for electrochemically generating a cell voltage in the known manner.
  • a battery device of the type described can be provided in a motor vehicle, for example as a high-voltage battery or traction battery. In the context of the invention, "high-voltage” is to be understood as meaning an electrical voltage greater than 60 V, in particular greater than 100 V.
  • the electric voltage generated at the battery terminals in the case of known battery devices is a direct current voltage
  • the DC electrical voltage must be fed into a DC link in which a DC link capacitor buffers electrical energy and from which an electric power converter picks up the DC voltage and generates several AC voltages as Drehphasenwechseischreib, which are fed into each stator winding of a stator of the electric machine other name for Drehphasenwechseischreib is polyphase AC voltage or polyphase AC voltage (English: polyphase system, multi-phase electric power).
  • the provision of the DC link capacitor and the power converter in a motor vehicle means a component cost, which increases the manufacturing cost of the motor vehicle.
  • MMC modular multilevel conversion
  • HVDC high-voltage DC transmission
  • IGBT IGBT insulated gate bipolar transistor
  • the invention has for its object to enable the operation of an electrical machine by means of a battery device.
  • the electrical battery device with the at least one module string described in the introduction is developed according to the invention in that at least one module string is provided in each case for each of its module units a respective bridging circuit, which is set up to alternately bridge the respective module unit as a function of a switching signal and interrupting the bridging again.
  • bridging it is meant that two terminal contacts of the module unit, via which the module unit is connected in series, are electrically short-circuited or connected. An electric current can then flow directly between the terminals, i. bypassing the at least one battery module of the module unit.
  • a current must flow from the one terminal contact through the at least one battery module of the module unit to the other terminal contact.
  • a control device is set up to bridge, by generating or setting the switching signal in periodically successive switching sequences (ie per switching sequence), at least some of the module units one after the other and subsequently interrupt their respective bridging in succession.
  • a switching signal is generated by the control device, by means of which module units are successively bypassed in each switching sequence.
  • the total voltage at the battery terminal decreases stepwise or stepwise with each jumper.
  • the bypasses are again interrupted or terminated.
  • the total voltage at the battery connection increases step by step with each interrupted or terminated bridging, ie with each connection of a further module unit.
  • the switching sequence is periodic, ie successive, adjacent switching cycles are performed repeatedly, results in a periodic waveform of the AC voltage.
  • This alternating voltage is generated from the respective partial voltage of each module unit. It is thus from the DC voltage that generates each module unit (partial voltage), within the battery device is provided or generated an AC voltage directly to the respective battery terminal of the at least one module string.
  • This is not just the simple switching on and off of the total voltage. Rather, several module units, in particular at least 5 modular units, per module strand are provided.
  • at least two intermediate stages, in particular at least 4 intermediate stages result in which the drop in the alternating voltage and the increase in the alternating voltage take place.
  • the maximum total voltage provided is a high-voltage voltage.
  • the invention provides the advantage that the battery device itself can provide an AC voltage with its at least one module string at a respective battery terminal. So there is no additional intermediate circuit and no additional power converter necessary, which would have to be connected between the battery device and an electric machine.
  • the AC voltage of each battery terminal can be fed directly into each one stator winding of a stator of the electric machine.
  • the invention also includes developments, the characteristics of which provide additional advantages.
  • the alternating voltage arises with respect to a reference potential. This results at the other end of each module strand.
  • this reference potential is provided at a further battery connection. In other words, therefore, another battery terminal is electrically connected to the other end of a module string.
  • a rotational phase alternating voltage is necessary.
  • the battery device has at least 3 module strings of the type mentioned and the control device is adapted to set the periodic switching sequences of the module strands out of phase with each other and thereby to produce the rotational phase alternating voltage at the battery terminals of the module strands.
  • a multi-phase three-phase current can be discharged from the battery device directly to the battery terminals.
  • Said control means for generating the switching signal controls the phases of the switching sequences or coordinates the switching sequences of the different module strings.
  • the phase offset would be 120 °.
  • the phase offset for N module strings is given as 360N.
  • control device can be configured in several parts or distributed.
  • the control device can have one at least one own string control unit for each module string. Furthermore, a central control unit can be provided for all module strings together.
  • Each string control unit of each module string is configured to independently perform the respective switching sequence of the respective module string, ie to successively bypass the module units and then successively interrupt the bypasses again.
  • a switching rate or the time interval between the switching operations of the bridging circuits is set as a function of a predetermined frequency value. The switching rate is thus the time interval of the switching operations on the individual module units.
  • the central control unit is set up to set the frequency value in the string units, that is, to specify their switching rate, and to trigger the switching sequences of the module strings in a phase-shifted manner.
  • the central control unit only has to send out a tripping command once per switching sequence or even only once per several switching sequences.
  • the frequency value can be set as a function of the example of a speed specification for the electric machine, that is, a predetermined setpoint speed.
  • a module string does not have to be monolithic.
  • Each module string can be formed from at least two sub-module strings connected in a series connection.
  • Each sub-module string then has a part of said row of modular units of the module string.
  • a modular structure of the module strands can be provided.
  • sub-module strings can be replaced, for example, in case of a defect of a module unit. This is cheaper than replacing a complete module string.
  • sub-module strings can be switched over one another via a switching matrix in order to be able to provide module strings with different total voltage or maximum voltage.
  • each module unit comprises in the manner described two connection contacts, via which the module unit is connected in the row of the respective module string.
  • at least one semiconductor switch is set up to electrically short-circuit or connect the two connecting contacts in the electrically conductive state. This takes place exclusively in the electrically conductive state of the connection contacts. If the at least one semiconductor switch is switched off electrically, the connection contacts are electrically connected only via the at least one battery module of the module unit. Thus, the partial voltage of the module unit is located between the connection contacts.
  • At least one further semiconductor switch is set up to switch an electrical connection between a Zeiienan gleich of battery cells of at least one battery module of the module unit on the one hand and one of the terminals on the other hand, so the electrical connection alternately produce and interrupt.
  • This electrical connection to the battery cells is interrupted if the connection contacts are short-circuited.
  • the semiconductor switches can be coupled via a locking logic such that only either the bridging or the connection to the batteries. This is known as locking.
  • the said semiconductor switches can each be formed on the basis of one or more transistors. The dielectric strength of each semiconductor switch is preferably only so great that the partial electrical voltage of the module unit can be blocked.
  • the AC voltage has a stepped, sinusoidal time course.
  • a sinus is modeled by the step-shaped course as a fundamental. This can be achieved by adjusting the time intervals of the switching operations of the switching sequences.
  • the electric battery device is particularly suitable for operation in a motor vehicle. Accordingly, the invention also provides a motor vehicle with a traction drive which has an electrical machine in which, in a known manner, a stator is configured to receive a rotational phase alternating voltage on stator windings for generating a magnetic rotating field.
  • a motor vehicle with a traction drive which has an electrical machine in which, in a known manner, a stator is configured to receive a rotational phase alternating voltage on stator windings for generating a magnetic rotating field.
  • an embodiment of the battery device according to the invention is provided in the motor vehicle according to the invention, wherein a respective battery terminal of at least one module strand, in particular several module strands of the battery device is electrically connected to one of the stator windings of the stator.
  • the electrical connection is in particular a direct electrical connection. In other words, no inverter is connected between the battery device and the electric machine.
  • the battery device can also be provided, for example, as stationary storage, for example to provide AC voltage in a building.
  • the operation of the battery device according to the invention results in the inventive method for operating the battery device.
  • the at least one module string in each case at least some of the module units are successively selected by the control device in each case by means of a switching signal in periodically successive switching sequences bridged and then successively the bridges are interrupted again, so that at the battery terminal of the module string a periodic alternating voltage with a multi-stage drop and subsequent multi-stage increase arises.
  • the periodic repetition or continuation of this switching sequence then results in an alternating voltage having a fundamental frequency which can be determined by the switching rate of the bypass circuits and thus the duration of the switching sequence.
  • the method according to the invention also has further developments which have features which have already been described in connection with the developments of the battery device according to the invention. For this reason, the corresponding developments of the method according to the invention are not described again here.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a motor vehicle with an electric traction drive according to the prior art; a schematic representation of an embodiment of the motor vehicle according to the invention; a diagram with a schematic diagram of an AC voltage, as it can be provided to a battery terminal of a battery device of the motor vehicle of Fig.
  • Fig. 1 shows a traction drive 10, which may be provided for a motor vehicle.
  • the traction drive 10 may include an electric machine 1 1 and a known from the prior art traction battery or high-voltage battery 12.
  • the high-voltage battery 12 may provide a DC voltage 13, which must be converted into AC voltages L1, L2, L3 for the operation of the electric machine 1, wherein the AC voltages L1, L2, L3 together must represent a rotational phase AC voltage 14.
  • an intermediate circuit 15 with an intermediate circuit capacitor 16 and a power converter 17 are necessary, both of which must be connected as an additional module 18 between the high-voltage battery 12 and the electric machine 1 1.
  • further individual switches 19 are necessary. These switches 19 may include contactors and / or semiconductor switches.
  • a precharging circuit 20 is furthermore necessary.
  • FIG. 2 shows a motor vehicle 21, in which an electric machine 22 (EM) can be connected directly to a battery device 23.
  • an AC voltage L1 LN is provided to a total of N battery terminals 24 of the battery device 23, wherein the AC voltages L1 LN overall represent a rotational phase AC voltage 25 or an AC voltage system, ie are out of phase with each other.
  • stator windings 26 of the electric machine can be supplied or supplied with an alternating current, thereby generating in a manner known per se in a stator 27 a magnetic rotating field for a rotor (not shown) of the electric machine 22.
  • the battery device 23 may include module strings 28 in which one end 29 is electrically connected to one battery terminal 24 each.
  • the respective other end 30 of each module string may be electrically connected or interconnected to a common star point 31.
  • the respective AC voltage L1 LN is generated in each case with respect to the neutral point 31 by one of the module strands 28.
  • FIG. 3 illustrates the time profile of the alternating voltage L1 over time t.
  • the remaining AC voltages L2, ..., LN are phase-shifted with respect to the AC voltage L1 in a conventional manner. However, their time course corresponds in shape to that of the illustrated AC voltage L1.
  • the AC voltage L1 has a plurality of stages 32, in which the AC voltage within a switching period 33, a drop 34 and a rise 35 performs.
  • the rise 35 is shown in two parts in FIG. 3 in order to illustrate that at the end of the switching period 33 it continues again at the beginning (the next switching period).
  • the alternating voltage L1 has a total of a course of a sine SIN.
  • the module string 28 may comprise a row 37 of module units 38 which are connected in series in the row 37.
  • each module unit 38 has two connection contacts 39, each connection contact 39 being electrically connected to a connection contact of the one in the row 37 in the next module unit 38.
  • the last module units 38 in the row 37 each have a connection contact 39, which is electrically connected to one of the ends 29, 30.
  • the module string 28 generates between the ends 29, 30 a total voltage U.
  • FIG. 5 illustrates, using the example of a single one of the module units 38, how a partial voltage 41 of the modular unit in the row 17 can be switched on and off by means of a respective bridging circuit 40 of each module unit 38.
  • the total voltage U generated between the ends 29, 30 can thereby be generated stepwise (ie, according to the steps 32 shown in FIG. 3) in each case to the partial voltages 41 of the module units 38.
  • Each stage can thus correspond to a partial voltage 41 or an integral multiple thereof.
  • the module unit 38 shown may have at least one battery module 42 between the cell terminals 43 in a conventional manner, the partial voltage 41 can be generated as a DC voltage electrochemical cells.
  • At least one cell connection 43 can be connected via a semiconductor switch 44 of the bridging circuit 40 to a connection contact 39 of the module unit 38.
  • Another semiconductor switch 45 may be connected between the terminals 39.
  • the connection contacts 39 are short-circuited or electrically connected by the semiconductor switch 45, so that a bridging 47 is present.
  • this bridging 47 is interrupted.
  • an inversion 46 illustrates in FIG. 5 that either the bridging 47 is set or the cell terminal 43 is electrically connected to the terminal contact 39 via the semiconductor switch 44.
  • the inversion 46 is an example of the lock described. In general, however, it is also possible to provide another locking logic from the prior art.
  • Each semiconductor switch 44, 45 may comprise one or more transistors.
  • Each semiconductor switch 44, 45 is, for example, a parallel circuit of a plurality of transistors.
  • a control device 48 can set the switching states of the switches 44, 45 of the bypass circuit 40 by means of a switching signal 49.
  • Each module unit 48 may include a bypass circuit 40.
  • the term "switching signal” here means the sum of all switching commands for all bridging circuits 40.
  • the control device 28 may have, for example, a microcontroller for generating the switching signals 49 for the bridging circuits 40. By generating the switching signal 49, it can be determined by the control device 48 how many of the module units 38 are bridged and how many are connected in series. The series-connected module units 38 result in total a sum of their partial voltages 41, which add up to the current total voltage U.
  • the stepped course of the alternating voltages L1, L2,..., LN can be set at the battery terminals 24, as shown in FIG 3 is shown.
  • the module units 38 need not be bridged in sequence by means of the respective bridging 47 in order to generate the alternating voltage with the stepped course according to FIG. 3.
  • a corresponding switching sequence can be set, by which a uniform wear of the module units 38 of a module string 28 results. That a difference between the amount of energy and / or power produced by each module unit 38 is less than a predetermined maximum value.
  • FIG. 6 illustrates an alternative embodiment of the battery device 23.
  • each module strand 28 is formed from a series connection of a plurality of partial module strands 28 '.
  • the controller 28 may be configured as a distributed device with a central control unit 49 and a plurality of string control units 50.
  • the central control unit 49 can have, for example, the said microcontroller pC.
  • Each string control unit 50 may be configured to independently set a switching sequence 51 for the bypass circuits 40 in the module string 28 or in a partial module string 28 'in order to obtain a switching period 33 or a series of switching periods 33 in the respective module string 28 without intervention of the central control unit 49 turn.
  • the central control unit 49 may coordinate the individual module strings 28 for generating the rotational phase alternating voltage 25 with respect to their phase offset or skew.
  • the ends 29 of the strands 28 may be connected to a common charging port (not shown).
  • a charging voltage may be applied between the neutral point 31 and the charging port by e.g. a charger can be generated.
  • the ends 29 can each be connected via a diode to the charging connection in order to avoid a balancing current between the conductors 28 when charging.
  • the strands 28 may be alternately connected to a charging port in time division multiplexing.
  • provision may be made for a plurality of strings 28 to be connected in series via additional switching elements in order to be able to use a charging voltage which is greater than the maximum voltage which can be absorbed by a string 28 for charging.
  • a recuperation generator operation of the electric machine
  • a recuperation generator operation of the electric machine
  • the battery device 21 In order to use the generator voltage generated by the electric machine 22 at the battery terminals 24 for charging the module units 38, so many modular units 38 are always connected in series, adapted to the time profile of the generator voltage in the strings 28, that by means of the currently available voltage value of the generator voltage a charging current for the module units 38 is formed, which has at most a predetermined charging current.
  • the current voltage value can be detected in a manner known per se by means of a voltage measurement at the battery terminals 24.
  • the examples show how a high-voltage converter (HV converter) can be integrated into a high-voltage battery by the invention.
  • HV converter high-voltage converter

Abstract

Elektrische Batterievorrichtung (23) mit zumindest einem Modulstrang (28), in welchem mehrere Moduleinheiten (38) in einer Reihe (37) hintereinander verschaltet sind, wobei ein Ende (29) der Reihe (37) mit einem jeweiligen Batterieanschluss (24) der Batterievorrichtung (23) verbunden ist. Die Erfindung sieht vor, dass in dem zumindest einen Modulstrang (28) jeweils für jedes seiner Moduleinheiten (38) eine jeweilige Überbrückungsschaltung (40) bereitgestellt ist, die dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von einem Schaltsignal (49) die jeweilige Moduleinheit (38) abwechselnd zu überbrücken und die Überbrückung (37) wieder zu unterbrechen, wobei eine Steuereinrichtung (48) dazu eingerichtet ist, mittels des Schaltsignals (49) in periodisch aufeinander folgenden Schaltfolgen jeweils zumindest einige der Moduleinheiten (38) zeitlich nacheinander zu überbrücken und danach zeitlich nacheinander die Überbrückungen (37) wieder zu unterbrechen, sodass an dem Batterieanschluss (24) des Modulstrangs (28) eine periodische Wechselspannung (L1, L2, L3, LN) mit mehrstufigem Abfall (34) und mehrstufigem Anstieg (35) entsteht.

Description

Batterievorrichtung mit zumindest einem Modulstrang, in welchem Moduleinheiten in einer Reihe hintereinander verschaltet sind, sowie Kraftfahrzeug und Betriebsverfahren für die Batterievorrichtung
BESCHREIBUNG:
Die Erfindung betrifft eine elektrische Batterie oder Batterievorrichtung mit zumindest einem Modulstrang.„Modulstrang" bedeutet, dass mehrere Moduleinheiten elektrisch in einer Reihe hintereinander geschaltet sind, um hier- durch Teilspannungen, die von den Moduleinheiten erzeugt werden, zu einer Gesamtspannung oder Batteriespannung aufzuaddieren. Zu der Erfindung gehören auch ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Betreiben der Batterievorrichtung. Im Zusammenhang mit der Erfindung ist eine Batterievorrichtung ein elektrischer Akkumulator, der also aufgeladen und entladen werden kann. In einer solchen Batterievorrichtung kann vorgesehen sein, mehrere Moduleinheiten elektrisch in einer Reihe hintereinander zu verschalten, um in der besagten Weise die von den Moduleinheiten erzeugten Teilspannungen zu einer Ge- samtspannung aufzusummieren. Ein Ende einer solchen Reihe ist mit einem Batterieanschluss der Batterievorrichtung elektrisch verbunden. Ein Batterie- anschluss ist hierbei ein von außen zugänglicher elektrischer Kontakt zum Abgreifen der Gesamtspannung des Modulstrangs. Jede der besagten, in Reihe geschalteten Moduleinheit kann ein Batteriemodul oder mehrere Bat- teriemodule aufweisen. Bei nur einem Batteriemodul kann die Moduleinheit mit der Batteriemodul identisch sein, falls alle Komponenten der Moduleinheit in das Batteriemodul integriert sind. Sind mehrere Batteriemodule in einer Moduleinheit vorgesehen, so können diese parallel geschaltet sein, um hierdurch den von einer Moduleinheit erzeugten elektrischen Strom zu vergrö- ßern, oder in Reihe, um die Teilspannung der Moduleinheit einzustellen . Ein einzelnes Batteriemodul kann mehrere Batteriezellen und der galvanische Zellen umfassen, um in der bekannten Weise elektrochemisch eine Zellspannung zu erzeugen. Eine Batterievorrichtung der beschriebenen Art kann in einem Kraftfahrzeug beispielsweise als Hochvoltbatterie oder Traktionsbatterie vorgesehen sein. Unter„Hochvolt" ist im Zusammenhang mit der Erfindung eine elektrische Spannung größer als 60 V, insbesondere größer als 100 V, zu verstehen. Die bei bekannten Batterievorrichtungen an den Batterieanschlüssen erzeugte elektrische Spannung ist eine Gleichspannung. Um hiermit eine elektrische Maschine eines Fahrantriebs eines Kraftfahrzeugs zu betreiben, muss die elektrische Gleichspannung in einen Zwischenkreis eingespeist werden, in welchem ein Zwischenkreiskondensator elektrische Energie puffert und aus welchem ein elektrischer Stromrichter die Gleichspannung abgreift und mehrere Wechselspannungen als Drehphasenwechseispannung erzeugt, die in jeweils eine Statorwicklung eines Stators der elektrischen Maschine eingespeist werden. Eine andere Bezeichnung für Drehphasenwechseispannung ist Mehrphasenwechselspannung oder Polyphasen-Wechselspannung (englisch: Polyphase System, Multi-Phase Electric Power).
Das Bereitstellen des Zwischenkreiskondensators und des Stromrichters in einem Kraftfahrzeug bedeutet einen Bauteilaufwand, der die Herstellungskosten des Kraftfahrzeugs vergrößert.
Im Zusammenhang mit der Energieumwandlung im Nieder-und Mittelspannungsbereich ist aus dem Stand der Technik die Modulare-Multilevel- Wandlung (MMC - Modular Multilevel Converter) bekannt, mittels welcher zum Beispiel für eine Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) Submodule in Reihe geschaltet sind, wobei jedes Submodul einen Zwischenkreiskondensator und eine IGBT-Halbbrücke (IGBT- Insulated Gate Bipolar Transistor) aufweist. In einem solchen modularen Multilevel- Umrichter sind somit Kondensatoren und Halbleiterschalter für die Umrich- tung kombiniert. Dennoch muss auch ein solcher modularer Multilevel- Umrichter als Zusatzbauteil zwischen eine Hochvoltbatterie und eine elektrische Maschine geschaltet werden, was einen zusätzlichen Bauteilaufwand bedeutet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Betrieb einer elektrischen Maschine mittels einer Batterievorrichtung zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhän- gigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren gegeben.
Die eingangs beschriebene elektrische Batterievorrichtung mit dem zumin- dest einen Modulstrang wird erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass in dem zumindest einen Modulstrang jeweils für jedes seiner Moduleinheiten eine jeweilige Überbrückungsschaltung bereitgestellt ist, die dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von einem Schaltsignal die jeweilige Moduleinheit abwechselnd zu überbrücken und die Überbrückung wieder zu unterbrechen. Mit Überbrücken ist gemeint, dass zwei Anschlusskontakte der Moduleinheit, über welche die Moduleinheit in die Reihe geschaltet ist, elektrisch kurzgeschlossen oder verbunden werden. Ein elektrischer Strom kann dann direkt zwischen den Anschlusskontakten fließen, d.h. unter Umgehung des zumindest einen Batteriemoduls der Moduleinheit. Bei Unterbrechen der Überbrü- ckung muss ein Strom dagegen von dem einen Anschlusskontakt durch das zumindest eine Batteriemodul der Moduleinheit zu dem anderen Anschlusskontakt fließen.
Bei der Batterievorrichtung ist des Weiteren eine Steuereinrichtung dazu eingerichtet, durch Erzeugen oder Festlegen des Schaltsignals in periodisch aufeinanderfolgenden Schaltfolgen jeweils (also pro Schaltfolge) zumindest einige der Moduleinheiten zeitlich nacheinander zu überbrücken und danach zeitlich nacheinander deren jeweilige Überbrückung wieder zu unterbrechen. Durch die Steuereinrichtung wird also ein Schaltsignal erzeugt, durch wel- ches in jeder Schaltfolge nacheinander Moduleinheiten überbrückt werden. Hierdurch sinkt die Gesamtspannung am Batterieanschluss stufenweise oder schrittweise mit jeder Überbrückung. Danach oder anschließend werden nacheinander die Überbrückungen wieder unterbrochen oder beendet. Hierdurch steigt stufenweise mit jeder unterbrochenen oder beendeten Überbrü- ckung, d.h. mit jedem Zuschalten einer weiteren Moduleinheit, die Gesamtspannung am Batterieanschluss wieder an. Insgesamt entsteht somit an dem Batterieanschluss des Modulstrangs eine Wechselspannung mit mehrstufigem Abfall (nacheinander Überbrücken von Moduleinheiten) und mehrstufigem Anstieg (nacheinander Zuschalten von Moduleinheiten der Reihe). Indem die Schaltfolge periodisch ist, also aufeinanderfolgende, aneinander angrenzenden Schaltzyklen wiederholt durchgeführt werden, ergibt sich ein periodischer Verlauf der Wechselspannung. Diese Wechselspannung wird aus der jeweiligen Teilspannung jeder Moduleinheit erzeugt. Es wird also aus der Gleichspannung, die jede Moduleinheit erzeugt (Teilspannung), innerhalb der Batterievorrichtung direkt an dem jeweiligen Batterieanschluss des zumindest einen Modulstrangs eine Wechselspannung bereitgestellt oder erzeugt. Es handelt sich hierbei nicht also um das einfache Einschalten und Ausschalten der Gesamtspannung. Vielmehr sind mehrere Moduleinheiten, insbesondere mindestens 5 Moduleinheiten, pro Modulstrang vorgesehen. Somit ergeben sich also mindestens zwei Zwischenstufen, insbesondere mindestens 4 Zwischenstufen, in welchen der Abfall der Wechselspannung und der Anstieg der Wechselspannung erfolgt. Bevorzugt handelt es sich bei der maximal bereitgestellten Gesamtspannung (Amplitude der Wechsel- Spannung) um eine Hochvoltspannung.
Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass die Batterievorrichtung selbst mit ihrem zumindest einen Modulstrang an einem jeweiligen Batterieanschluss jeweils eine Wechselspannung bereitstellen kann. Es sind also kein zusätzlicher Zwischenkreis und kein zusätzlicher Stromrichter nötig, die zwischen die Batterievorrichtung und eine elektrische Maschine geschaltet werden müssten. Die Wechselspannung jedes Batterieanschlusses kann direkt in jeweils eine Statorwicklung eines Stators der elektrischen Maschine eingespeist werden.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen, durch deren Merkmale sich zusätzliche Vorteile ergeben.
Die Wechselspannung entsteht bezüglich eines Bezugspotenzials. Dieses ergibt sich am jeweils anderen Ende jedes Modulstrangs. Eine Weiterbildung sieht vor, dass dieses Bezugspotenzial an einem weiteren Batterieanschluss bereitgestellt ist. Mit anderen Worten ist also ein weiterer Batterieanschluss mit dem anderen Ende eines Modulstrangs elektrisch verbunden. Um mittels der Batterievorrichtung direkt eine elektrische Maschine betreiben zu können, ist eine Drehphasenwechselspannung nötig. Hierzu sieht eine Weiterbildung vor, dass die Batterievorrichtung mindestens 3 Modulstränge der genannten Art aufweist und die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die periodischen Schaltfolgen der Modulstränge phasenversetzt zueinander einzustellen und hierdurch an den Batterieanschlüssen der Modulstränge die Drehphasenwechselspannung zu erzeugen.
So kann an den Batterieanschlüssen also direkt ein mehrphasiger Drehstrom von der Batterievorrichtung abgegeben werden. Es können 3 Modulstränge oder auch mehr als 3 Modulstränge insbesondere mehr als 5 Modulstränge, vorgesehen sein. Die besagte Steuereinrichtung zum Erzeugen des Schaltsignals steuert die Phasen der Schaltfolgen oder koordiniert die Schaltfolgen der unterschiedlichen Modulstränge. Bei einer Batterievorrichtung mit 3 Mo- dulsträngen wäre der Phasenversatz 120°. Allgemein ist der Phasenversatz bei N Modulsträngen gegeben als 360 N.
Als Bezugspotenzial kann vorgesehen sein, dass bei jedem Modulstrang jeweils ein anderes Ende der Reihe mit einem gemeinsamen Sternpunkt elektrisch verbunden ist. Die Drehphasenwechselspannung wird also bezüglich des Sternpunkts erzeugt. Hierdurch ist in vorteilhafter Weise keine elektrische Verbindung zwischen einer durch die Batterievorrichtung betriebene elektrischen Maschine und dem Bezugspotenzial nötig. Das Steuern der einzelnen Überbrückungsschaltungen aller Moduleinheiten aller Modulstränge erfordert eine Vielzahl von Schaltbefehlen, sodass ein entsprechend breitbandiges Schaltsignal zum Schalten aller Überbrückungsschaltungen nötig ist. Um hier eine Übertragungsbandbreite zum Übermitteln von Schaltbefehlen zu reduzieren, kann die Steuereinrichtung mehrteilig oder verteilt ausgestaltet sein. Die Steuereinrichtung kann für jeden Modulstrang eine zumindest eine eigene Strangsteuereinheit aufweisen. Des Weiteren kann für alle Modulstränge zusammen eine Zentralsteuereinheit vorgesehen sein. Jede Strangsteuereinheit jedes Modulstrangs ist dabei dazu eingerichtet, selbstständig die jeweilige Schaltfolge des jeweiligen Modulstrangs durchzuführen, d.h. nacheinander die Moduleinheiten zu überbrücken und anschließend nacheinander die Überbrückungen wieder zu unterbrechen. Hierbei wird eine Schaltrate oder der zeitliche Abstand zwischen den Schaltvorgängen der Überbrückungsschaltungen in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Frequenzwert eingestellt. Die Schaltrate ist also der zeitliche Abstand der Schaltvorgänge an den einzelnen Moduleinheiten. Wird also eine Strangsteuereinheit ausgelöst oder aktiviert, so führt diese zumindest einmal die Schaltfolge selbstständig durch. Es müssen also nicht Schaltbefehle für jede Überbrückungseinheit einzeln an den Modulstrang übertragen werden. Die Zentralsteuereinheit ist dazu eingerichtet, den Frequenzwert in den Strangeinheiten einzustellen, also deren Schaltrate vorzugeben, und die Schaltfolgen der Modulstränge phasenversetzt auszulösen. Die Zentralsteuereinheit muss also lediglich einmal pro Schaltfolge oder sogar nur einmal pro mehreren Schaltfolgen einen Auslösebefehl aussenden. Somit muss ausgehend von der Zentralsteuereinheit nur mit einer geringeren Rate als die Schaltrate ein Auslösebefehl ausgesendet werden. Der Frequenzwert kann in Abhängigkeit zum Beispiel von einer Drehzahlvorgabe für die elektrische Maschine, also einer vorgegebenen Solldrehzahl, eingestellt werden. Ein Modulstrang muss nicht monolithisch aufgebaut sein. Jeder Modulstrang kann aus mindestens zwei in einer Reihenschaltung geschalteten Teilmodulsträngen gebildet sein. Jeder Teilmodulstrang weist dann einen Teil der besagten Reihe der Moduleinheiten des Modulstrangs auf. Somit kann also ein modularer Aufbau der Modulstränge vorgesehen sein. Somit lassen sich Teilmodulsträngen auswechseln, zum Beispiel bei einem Defekt einer Moduleinheit. Dies ist kostengünstiger als der Austausch eines vollständigen Modulstrangs. Des Weiteren können Teilmodulstränge untereinander über eine Schaltmatrix umgeschaltet werden, um Modulstränge mit unterschiedlicher Gesamtspannung oder Maximalspannung bereitstellen zu können.
Um das besagte elektrische Überbrücken einer Moduleinheit zu ermöglichen, ist für jede Moduleinheit die besagte Überbrückungsschaltung nötig. Diese kann wie folgt ausgestaltet sein. Jede Moduleinheit umfasst in der beschriebenen Weise zwei Anschlusskontakte, über welche die Moduleinheit in die Reihe des jeweiligen Modulstrangs geschaltet ist. Bei der jeweiligen Überbrückungsschaltung ist zumindest ein Halbleiterschalter dazu eingerichtet, im elektrisch leitenden Zustand die beiden Anschlusskontakte elektrisch kurzzuschließen oder zu verbinden. Dies erfolgt ausschließlich im elektrisch leitenden Zustand der Anschlusskontakte. Ist der zumindest eine Halbleiterschal- ter elektrisch sperrend geschaltet, sind die Anschlusskontakte nur über das zumindest eine Batteriemodul des Moduleinheit elektrisch verbunden. Damit liegt die Teilspannung der Moduleinheit zwischen den Anschlusskontakten an. Um bei Überbrückung der Anschlusskontakte einen Kurzschlussstrom innerhalb der Moduleinheit zu verhindern, ist zumindest ein weiterer Halb- leiterschalter dazu eingerichtet, eine elektrische Verbindung zwischen einem Zeiienanschluss von Batteriezellen des zumindest einen Batteriemoduls der Moduleinheit einerseits und einem der Anschlusskontakte andererseits zu schalten, also die elektrische Verbindung abwechselnd herzustellen und zu unterbrechen. Diese elektrische Verbindung zu den Batteriezellen wird un- terbrochen, falls die Anschlusskontakten kurzgeschlossen sind. Die Halbleiterschalter können über eine Verriegelungslogik derart gekoppelt sein, dass jeweils nur entweder die Überbrückung oder die Verbindung zu den Batterien besteht. Dies ist als Verriegelung bekannt. Die besagten Halbleiterschalter können jeweils auf der Grundlage eines Transistors oder mehrerer Transistoren gebildet sein Die Spannungsfestigkeit jedes Halbleiterschalters ist bevorzugt nur so groß, dass die elektrische Teilspannung der Moduleinheit gesperrt werden kann. Dies setzt voraus, dass die geschalteten elektrischen Ströme dies zulassen, also die beim Schalten induzierten Spannungen klein genug sind. Insbesondere ist dann also die Spannungsfestigkeit des zumindest einen Halbleiterschalters jeweils kleiner als die maximal mögliche Maximalspannung des Modulstrangs. Solche Halbleiterschalter sind kostengünstiger.
Für den Betrieb einer elektrischen Maschine ist besonders vorgesehen, dass die Wechselspannung einen gestuften, sinusförmigen zeitlichen Verlauf aufweist. Mit anderen Worten ist durch den stufenförmigen Verlauf als Grundschwingung ein Sinus nachgebildet. Dies kann durch Einstellen der zeitlichen Abstände der Schaltvorgänge der Schaltfolgen erreicht werden.
Die elektrische Batterievorrichtung eignet sich insbesondere für den Betrieb in einem Kraftfahrzeug. Entsprechend ist durch die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einem Fahrantrieb bereitgestellt, der eine elektrische Maschine aufweist, bei welcher in bekannter Weise ein Stator dazu eingerichtet ist, an Statorwicklungen eine Drehphasenwechselspannung zum Erzeugen eines magnetischen Drehfelds zu empfangen. Um die Drehphasenwechselspannung zu erzeugen, ist bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterievorrichtung bereitgestellt, wobei ein jeweiliger Batterieanschluss zumindest eines Modulstrangs, insbesondere mehrerer Modulstränge der Batterievorrichtung mit jeweils einer der Statorwicklungen des Stators elektrisch verbunden ist. Die elektrische Verbindung ist insbesondere eine direkte elektrische Verbindung. Mit anderen Worten ist kein Wechselrichter zwischen die Batterievorrichtung und die elektrische Maschine geschaltet.
Die Batterievorrichtung kann aber auch z.B. als Stationärspeicher vorgesehen sein, um z.B. in einem Gebäude Wechselspannung bereitzustellen. Durch den Betrieb der erfindungsgemäßen Batterievorrichtung ergibt sich das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben der Batterievorrichtung. Durch die Steuereinrichtung wird also bei dem zumindest einen Modulstrang jeweils mittels eines Schaltsignals in periodisch aufeinanderfolgenden Schaltfolgen jeweils zumindest einige der Moduleinheiten nacheinander überbrückt und danach werden nacheinander die Überbrückungen wieder unterbrochen, sodass an dem Batterieanschluss des Modulstrangs eine periodische Wechselspannung mit einem mehrstufigen Abfall und anschließendem mehrstufigem Anstieg entsteht. Durch die periodische Wiederholung oder Fortsetzung dieser Schaltfolge ergibt sich dann eine Wechselspannung mit einer Grundfrequenz, die durch die Schaltrate der Überbrückungsschal- tungen und damit die Dauer der Schaltfolge festgelegt werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist auch Weiterbildungen auf, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Batterievorrichtung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben. Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt: eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit elektrischem Fahrantrieb gemäß dem Stand der Technik; eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs; ein Diagramm mit einem schematisierten Verlauf einer Wechselspannung, wie sie an einem Batterieanschluss einer Batterievorrichtung des Kraftfahrzeugs von Fig. 2 bereitgestellt werden kann; eine schematische Darstellung eines Modulstrangs einer Batterievorrichtung des Kraftfahrzeugs von Figur 2; eine schematische Darstellung von Moduleinheiten des Modulstrangs von Figur 4; und eine schematische Darstellung einer alternativen Ausgestaltung der Batterievorrichtung des Kraftfahrzeugs von Fig. 2 mit einer verteilten Steuereinrichtung.
Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispie- len stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, weiche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Be- zugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt einen Fahrantrieb 10, der für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt sein kann. Der Fahrantrieb 10 kann eine elektrische Maschine 1 1 und eine aus dem Stand der Technik bekannte Traktionsbatterie oder Hochvoltbatterie 12 aufweisen. Die Hochvoltbatterie 12 kann eine Gleichspannung 13 bereitstellen, die für den Betrieb der elektrischen Maschine 1 1 in Wechselspannungen L1 , L2, L3 umgewandelt werden muss, wobei die Wechselspannungen L1 , L2, L3 zusammen eine Drehphasenwechselspannung 14 darstellen müssen. Hierzu sind ein Zwischenkreis 15 mit einem Zwischen kreiskondensator 16 sowie ein Stromrichter 17 nötig, die beide als ein Zusatzmodul 18 zwischen die Hochvoltbatterie 12 und die elektrische Maschine 1 1 geschaltet werden müssen. Um den Zwischenkreis 15 spannungsfrei schalten zu können, sind des Weiteren einzelne Schalter 19 nötig. Diese Schalter 19 können Schütze und/oder Halbleiterschalter aufweisen. Um beim Einschalten des Fahrantriebs 10 einen Aufladestrom des Zwischenkreiskondensators 16 begrenzen zu können, ist des Weiteren eine Vorladeschaltung 20 nötig.
Das Bereitstellen des Zwischenkreiskondensators 16, des Stromrichters 17, der Schalter 19 und der Vorladeschaltung 20 macht den Fahrantrieb 10 in der Herstellung teuer und anfällig für Bauteilausfälle.
Fig. 2 zeigt ein Kraftfahrzeug 21 , bei welchem eine elektrische Maschine 22 (EM) direkt an eine Batterievorrichtung 23 angeschlossen sein kann. Hierzu wird an insgesamt N Batterieanschlüssen 24 der Batterievorrichtung 23 jeweils eine Wechselspannung L1 LN bereitgestellt, wobei die Wechselspannungen L1 LN insgesamt eine Drehphasenwechselspannung 25 oder ein Wechselspannungssystem darstellen, also phasenversetzt zueinander sind. Mittels der Wechselspannungen L1 LN können Statorwicklungen 26 der elektrischen Maschine mit einem Wechselstrom versorgt oder beaufschlagt werden, um hierdurch in an sich bekannter Weise in einem Stator 27 ein magnetisches Drehfeld für einen (nicht dargestellten) Rotor der elektrischen Maschine 22 zu erzeugen.
Um die Wechselspannungen L LN an den Batterieanschlüssen 24 zu erzeugen oder bereitzustellen, kann Batterievorrichtung 23 Modulstränge 28 aufweisen, bei denen ein Ende 29 mit jeweils einem Batterieanschluss 24 elektrisch verbunden ist. Das jeweils andere Ende 30 jedes Modulstrangs kann elektrisch mit einem gemeinsamen Sternpunkt 31 verbunden oder verschaltet sein. Die jeweilige Wechselspannung L1 LN wird jeweils bezüglich des Sternpunkts 31 durch jeweils einen der Modulstränge 28 erzeugt.
Fig. 3 veranschaulicht beispielhaft für die Wechselspannung L1 über der Zeit t deren zeitlichen Verlauf. Die übrigen Wechselspannungen L2,... , LN sind bezüglich der Wechselspannung L1 in an sich bekannter Weise phasenversetzt. Deren zeitlicher Verlauf entspricht aber von der Form her demjenigen der dargestellten Wechselspannung L1 . Die Wechselspannung L1 weist mehrere Stufen 32 auf, in welchen die Wechselspannung innerhalb einer Schaltperiode 33 einen Abfall 34 und einen Anstieg 35 durchführt. Der Anstieg 35 ist in Fig. 3 zweiteilig dargestellt, um zu veranschaulichen, dass es am Ende der Schaltperiode 33 wieder am Anfang (der nächsten Schaltperio- de) weitergeht. Die Wechselspannung L1 weist insgesamt einen Verlauf eines Sinus SIN auf. Insgesamt ergibt sich ein Spannungshub oder eine Gesamtspannung 36, die durch den Modulstrang 28 erzeugt oder bereitgestellt wird. Fig. 4 veranschaulicht einen Modulstrang 28, dessen Ende 29 mit einem Batterieanschluss 24 und dessen anderes Ende 30 mit dem Sternpunkt 31 verschaltet sein kann. Der Modulstrang 28 kann eine Reihe 37 von Moduleinheiten 38 aufweisen, die in der Reihe 37 hintereinander geschaltet sind. Hierzu weist jede Moduleinheit 38 zwei Anschlusskontakte 39 auf, wobei jeder Anschlusskontakt 39 mit einem Anschlusskontakt des in der Reihe 37 in der nächsten Moduleinheit 38 elektrisch verbunden ist. Die in der Reihe 37 letzten Moduleinheiten 38 weisen natürlich jeweils einen Anschlusskontakt 39 auf, der mit einem der Enden 29, 30 elektrisch verbunden ist. Der Modulstrang 28 erzeugt zwischen den Enden 29, 30 eine Gesamtspannung U. Fig. 5 veranschaulicht am Beispiel einer einzelnen der Moduleinheiten 38, wie mittels einer jeweiligen Überbrückungsschaltung 40 jeder Moduleinheit 38 eine Teilspannung 41 der Moduleinheit in der Reihe 17 zugeschalte und abgeschaltet werden kann. Die zwischen den Enden 29, 30 erzeugte Gesamtspannung U kann hierdurch stufenweise (d.h. gemäß den in Fig. 3 gezeigten Stufen 32) jeweils den Teilspannungen 41 der Moduleinheiten 38 erzeugt werden. Jede Stufe kann also einer Teilspannung 41 oder einem ganzzahligen Vielfachen davon entsprechen.
Die gezeigte Moduleinheit 38 kann zumindest ein Batteriemodul 42 aufweisen zwischen dessen Zellanschlüssen 43 in an sich bekannter Weise die Teilspannung 41 als eine Gleichspannung elektrochemischer Zellen erzeugt werden kann. Zumindest ein Zellenanschluss 43 kann über einen Halbleiter- Schalter 44 der Überbrückungsschaltung 40 mit einem Anschlusskontakt 39 der Moduleinheit 38 verschaltet sein. Ein weiterer Halbleiterschalter 45 kann zwischen die Anschlusskontakte 39 geschaltet sein. Im geschlossenen oder elektrisch leitenden Zustand sind durch den Halbleiterschalter 45 die Anschlusskontakte 39 kurzgeschlossen oder elektrisch verbunden, sodass eine Überbrückung 47 vorhangen ist. Im geöffneten oder nicht-leitenden Zustand des Halbleiterschalters 45 ist diese Überbrückung 47unterbrochen. Symbolisch ist in Fig. 5 durch eine Invertierung 46 veranschaulicht, dass entweder die Überbrückung 47 eingestellt ist oder der Zellenanschluss 43 über den Halbleiterschalter 44 mit dem Anschlusskontakt 39 elektrisch verbunden ist. Die Invertierung 46 ist ein Beispiel für die beschriebene Verriegelung. Allgemein kann aber auch eine andere Verriegelungslogik aus dem Stand der Technik vorgesehen sein.
Jeder Halbleiterschalter 44, 45 kann einen oder mehrere Transistoren um- fassen. Jeder Halbleiterschalter 44, 45 ist zum Beispiel eine Parallelschaltung aus mehreren Transistoren.
Eine Steuereinrichtung 48 kann durch ein Schaltsignal 49 die Schaltzustände der Schalter 44, 45 der Überbrückungsschaltung 40 einstellen. Jede Modu- leinheit 48 kann eine Überbrückungsschaltung 40 aufweisen. Der Begriff „Schaltsignal" meint hier die Summe aller Schaltbefehle für alle Überbrü- ckungsschaltungen 40. Die Steuereinrichtung 28 kann zum Erzeugen der Schaltsignale 49 für die Überbrückungsschaltungen 40 zum Beispiel einen MikroController aufweisen. Durch Erzeugen des Schaltsignals 49 kann durch die Steuereinrichtung 48 festgelegt werden, wie viele der Moduleinheiten 38 überbrückt sind und wie viele in Reihe geschaltet sind. Die in Reihe geschalteten Moduleinheiten 38 ergeben insgesamt eine Summe ihrer Teilspannungen 41 , die sich zu der aktuellen Gesamtspannung U aufaddieren. So kann durch die Steuereinrichtung 48 durch Einstellen der Anzahl der überbrückten Moduleinheiten 38 und durch nacheinander überbrücken und durch anschließendes Unterbrechen der Überbrückungen 47 der gestufte Verlauf der Wechselspannungen L1 , L2,... , LN an den Batterieanschlüssen 24 eingestellt werden, wie er in Fig. 3 gezeigt ist.
Die Moduleinheiten 38 müssen hierzu nicht der Reihe nach mittels der jeweiligen Überbrückung 47 überbrückt werden, um die Wechselspannung mit dem gestuften Verlauf gemäß Fig. 3 zu erzeugen. Um die Moduleinheiten 38 gleichmäßig abzunutzen, kann eine entsprechende Schaltreihenfolge eingestellt werden, durch welche sich eine geleichmäßige Abnutzung der Moduleinheiten 38 eines Modulstrangs 28 ergibt. D.h. ein Unterschied zwischen der von jeder Moduleinheit 38 erzeugten Energiemenge und/oder Leistung ist kleiner als ein vorbestimmter Höchstwert.
Fig. 6 veranschaulicht eine alternative Ausgestaltung der Batterievorrichtung 23. Hierbei kann vorgesehen sein, dass jeder Modulstrang 28 aus einer Reihenschaltung mehrerer Teil-Modulsträngen 28' gebildet ist. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Steuereinrichtung 28 als verteilte Einrichtung mit einer Zentralsteuereinheit 49 und mehreren Strangsteuereinheiten 50 ausgestaltet sein.
Die Zentralsteuereinheit 49 kann beispielsweise den besagten Mikrocontrol- ler pC aufweisen. Jede Strangsteuereinheit 50 kann dazu ausgestaltet sein, selbstständig in dem Modulstrang 28 oder in einem Teilmodulstrang 28' eine Schaltfolge 51 für die Überbrückungsschaltungen 40 einzustellen, um in dem jeweiligen Modulstrang 28 eine Schaltperiode 33 oder eine Folge von Schaltperioden 33 ohne ein Zutun der Zentralsteuereinheit 49 zu schalten. Die Zentralsteuereinheit 49 kann die einzelnen Modulstränge 28 zum Erzeugen der Drehphasenwechseispannung 25 in Bezug auf deren Phasenversatz oder Zeitversatz koordinieren. Um eine Drehgeschwindigkeit der elektrischen Maschine 22 einzustellen, kann ein Frequenzwert 52 durch die Zentralsteuereinheit 49 an die Strangsteuereinheiten 50 vorgegeben werden. Die Fre- quenz f, die durch den Frequenzwert 52 beschrieben ist, kann der Periodendauer T der Schaltperiode 33 entsprechen, wobei gilt: T = 1 /f.
Das elektrische Aufladen der Moduleinheiten 38 ist bei der Batterievorrich- tung 21 problemlos möglich. In einer Ausführungsform können die Enden 29 der Stränge 28 mit einem gemeinsamen Ladeanschluss (nicht dargestellt) verbunden sein. Zu Aufladen kann eine Ladespannung zwischen dem Sternpunkt 31 und dem Ladeanschluss durch z.B. ein Ladegerät erzeugt werden. Die Enden 29 können jeweils über eine Diode mit dem Ladeanschluss ver- schaltet sein, um einen Ausgleichsstrom zwischen den Strängen 28 untereinander beim Aufladen zu vermeiden. In einer Ausführungsform können die Stränge 28 in einem Zeitmultiplexing abwechselnd mit einem Ladeanschluss verbunden werden. In einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, über zusätzliche Schaltelemente mehrere Stränge 28 in Reihe zu schalten, um eine Ladespannung verwenden zu können, die größer ist als die für das Aufladen maximal von einem Strang 28 aufnehmbare Spannung ist.
Im Betrieb der elektrischen Maschine 22 kann mittels der Batterievorrichtung 21 auch eine Rekuperation (Generatorbetrieb der elektrischen Maschine) durchgeführt werden. Um die von der elektrischen Maschine 22 an den Batterieanschlüssen 24 erzeugte Generatorspannung zum Aufladen der Moduleinheiten 38 zu nutzen, werden angepasst an den zeitlichen Verlauf der Generatorspannung in den Strängen 28 stets so viele Moduleinheiten 38 in Reihe geschaltet, dass mittels des momentan verfügbaren Spannungswerts der Generatorspannung ein Ladestrom für die Moduleinheiten 38 entsteht, der höchstens eine vorgegebene Ladestromstärke aufweist. Der aktuelle Spannungswert kann in an sich bekannter Weise mittels einer Spannungsmessung an den Batterieanschlüssen 24 erfasst werden. Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein Hochvolt- Umrichter (HV-Umrichter) in eine Hochvoltbatterie integriert werden kann.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:
Elektrische Batterievorrichtung (23) mit zumindest einem Modulstrang (28), in welchem mehrere, jeweils zumindest ein Batteriemodul (42) aufweisende Moduleinheiten (38) elektrisch in einer Reihe (37) hintereinander verschaltet sind, wobei ein Ende (29) der Reihe (37) mit einem jeweiligen Batterieanschluss (24) der Batterievorrichtung (23) elektrisch verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
in dem zumindest einen Modulstrang (28) jeweils für jedes seiner Moduleinheiten (38) eine jeweilige Überbrückungsschaltung (40) bereitgestellt ist, die dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von einem Schaltsignal (49) die jeweilige Moduleinheit (38) abwechselnd zu überbrücken und die Überbrückung (37) wieder zu unterbrechen, wobei eine Steuereinrichtung (48) dazu eingerichtet ist, durch Einstellen des Schaltsignals (49) in periodisch aufeinander folgenden Schaltfolgen jeweils zumindest einige der Moduleinheiten (38) zeitlich nacheinander zu überbrücken und danach zeitlich nacheinander die Überbrückungen (37) wieder zu unterbrechen, sodass an dem Batterieanschluss (24) des Modulstrangs (28) eine periodische Wechselspannung (L1 , L2, L3, LN) mit mehrstufigem Abfall (34) und mehrstufigem Anstieg (35) entsteht.
Batterievorrichtung (23) nach Anspruch 1 , wobei die Wechselspannung (L1 , L2, L3, LN) bezüglich eines Bezugspotentials entsteht, das an einem weiteren Batterieanschluss bereitgestellt ist.
Batterievorrichtung (23) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batterievorrichtung (23) mindestens drei Modulstränge (28) aufweist und die Steuereinrichtung (48) dazu eingerichtet ist, die periodischen Schaltfolgen der Modulstränge (28) phasenversetzt zueinander einzustellen und hierdurch an den Batterieanschlüssen (24) der Modulstränge (28) eine Drehphasenwechselspannung (25) zu erzeugen.
Batterievorrichtung (23) nach Anspruch 3, wobei bei jedem Modulstrang (28) jeweils ein anderes Ende (30) der Reihe (37) mit einem gemeinsamen Sternpunkt (31 ) elektrisch verbunden ist.
5. Batterievorrichtung (23) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei die Steuereinrichtung (28) für jeden Modulstrang (48) jeweils zumindest ei- ne Strangsteuereinheit (50) und für alle Modulstränge (28) zusammen eine Zentralsteuereinheit (49) vorsieht, wobei jede Strangsteuereinheit (50) jedes Modulstrangs (28) dazu eingerichtet ist, selbständig die jeweilige Schaltfolge des Modulstrangs (28) durchzuführen und hierbei eine Schaltrate in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Frequenzwert
(52) einzustellen, und die Zentralsteuereinheit (49) dazu eingerichtet ist, den Frequenzwert (52) in den Strangsteuereinheiten (50) einzustellen und die Schaltfolgen der Modulstränge (28) phasenversetzt auszulösen. 6. Batterievorrichtung (23) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder Modulstrang (28) aus zumindest zwei in einer Reihenschaltung geschalteten Teilmodulsträngen (28') gebildet ist und wobei jeder Teilmodulstrang (28') einen Teil der Reihe (37) der Moduleinheiten (38) aufweist.
7. Batterievorrichtung (23) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede der Moduleinheiten (28) zwei Anschlusskontakte (39) um- fasst, über welche die Moduleinheit (38) in die Reihe (37) des jeweiligen Modulstrangs (28) geschaltet ist, und bei der jeweiligen Überbrü- ckungsschaltung (40) zumindest ein Halbleiterschalter (45) dazu eingerichtet ist, im elektrisch leitenden Zustand die beiden Anschlusskontakte (39) elektrisch zu verbinden, und zumindest ein weiterer Halbleiterschalter (44) dazu eingerichtet ist, eine elektrische Verbindung zwischen zumindest einem Zellenanschluss (43) von Batteriezellen der Moduleinheit (38) und einem der Anschlusskontakte (39) zu schalten.
8. Batterievorrichtung (23) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wechselspannung (L1 , L2, L3, LN) einen gestuften, sinusförmigen zeitlichen Verlauf aufweist.
9. Kraftfahrzeug (21 ) mit einem Fahrantrieb, der eine elektrische Maschine
(22) aufweist, bei welcher ein Stator (27) dazu eingerichtet ist, an Statorwicklungen (26) eine Drehphasenwechselspannung (25) zum Erzeugen eines magnetischen Drehfeldes zu empfangen,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Kraftfahrzeug (21 ) eine Batterievorrichtung (23) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist, wobei ein jeweiliger Batteriean- schluss (24) zumindest eines Modulstrangs (28) der Batterievorrichtung
(23) mit jeweils einer der Statorwicklungen (26) des Stators (27) elektrisch verbunden ist.
10. Verfahren zum Betreiben einer Batterievorrichtung (23), die zumindest einen Modulstrang (28) mit jeweils mehreren, jeweils zumindest ein Bat- teriemodui (42) aufweisenden Moduleinheiten (38) aufweist, wobei die
Moduleinheiten (38) jedes Modulstrangs (28) in einer Reihe (37) verschaltet sind und wobei durch eine Steuereinrichtung (40) bei dem zumindest einen Modulstrang (28) jeweils mittels eines Schaltsignals (49) in periodisch aufeinander folgenden Schaltfolgen jeweils zumindest ei- nige der Moduleinheiten (38) nacheinander überbrückt werden und danach die Überbrückungen (37) nacheinander wieder unterbrochen werden, sodass an dem Batterieanschluss (24) des Modulstrangs (28) eine periodische Wechselspannung (L1 , L2, L3, LN) mit mehrstufigem Abfall (34) und mehrstufigem Anstieg (35) entsteht.
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