DE102011075421A1 - Battery with at least one battery module string - Google Patents

Abstract

Translated fromGerman

Es wird eine Batterie (10) mit wenigstens einem Batteriemodulstrang (70) eingeführt, bei der der wenigstens eine Batteriemodulstrang (70) eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen (40) umfasst. Jedes Batteriemodul (40) umfasst wenigstens eine Batteriezelle (41) und eine Koppeleinheit (30). Die wenigstens eine Batteriezelle (41) ist zwischen einen ersten Eingang (31) und einen zweiten Eingang (32) der Koppeleinheit (30) geschaltet. Die Koppeleinheit (30) ist ausgebildet, auf ein erstes Steuersignal hin die wenigstens eine Batteriezelle (41) zwischen ein erstes Terminal (42) des Batteriemoduls (40) und ein zweites Terminal (43) des Batteriemoduls (40) zu schalten und auf ein zweites Steuersignal hin das erste Terminal (42) mit dem zweiten Terminal (43) zu verbinden. An dem Batteriemodulstrang (70) ist ein Mittelabgriff (73) angeordnet, mit welchem ein Potential an einer Verbindung zwischen zwei Batteriemodulen (40) abgreifbar ist.A battery (10) having at least one battery module string (70) is introduced, in which the at least one battery module string (70) comprises a plurality of series-connected battery modules (40). Each battery module (40) comprises at least one battery cell (41) and a coupling unit (30). The at least one battery cell (41) is connected between a first input (31) and a second input (32) of the coupling unit (30). The coupling unit (30) is configured, in response to a first control signal, to switch the at least one battery cell (41) between a first terminal (42) of the battery module (40) and a second terminal (43) of the battery module (40) and to a second one Control signal to connect the first terminal (42) with the second terminal (43). On the battery module string (70), a center tap (73) is arranged, with which a potential at a connection between two battery modules (40) can be tapped off.

Description

Translated fromGerman

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie mit wenigstens einem Batteriemodulstrang, ein Antriebssystem für einen elektrischen Antriebsmotor mit der erfindungsgemäßen Batterie sowie ein Kraftfahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Antriebssystem.The present invention relates to a battery with at least one battery module string, a drive system for an electric drive motor with the battery according to the invention and a motor vehicle with the drive system according to the invention.

Stand der TechnikState of the art

Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, als auch bei Fahrzeugen wie Hybrid- und Elektrofahrzeugen vermehrt Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden. Um die für eine jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen an Spannung und zur Verfügung stellbare Leistung erfüllen zu können, werden eine hohe Zahl von Batteriezellen in Serie geschaltet. Da der von einer solchen Batterie bereitgestellte Strom durch alle Batteriezellen fließen muss und eine Batteriezelle nur einen begrenzten Strom leiten kann, werden oft zusätzlich Batteriezellen parallel geschaltet, um den maximalen Strom zu erhöhen. Dies kann entweder durch Vorsehen von mehreren Zellwickeln innerhalb eines Batteriezellengehäuses oder durch externes Verschalten von Batteriezellen geschehen. Dabei ist jedoch problematisch, dass es aufgrund nicht exakt identischer Zellkapazitäten und -spannungen zu Ausgleichsströmen zwischen den parallel geschalteten Batteriezellen kommen kann.It is becoming apparent that in the future, battery systems will increasingly be used both in stationary applications and in vehicles such as hybrid and electric vehicles. In order to meet the voltage and available power requirements of a particular application, a large number of battery cells are connected in series. Since the power provided by such a battery must flow through all the battery cells and a battery cell can only conduct a limited current, battery cells are often additionally connected in parallel in order to increase the maximum current. This can be done either by providing multiple cell wraps within a battery cell housing or by externally interconnecting battery cells. However, it is problematic that due to not exactly identical cell capacitances and voltages can lead to equalization currents between the parallel-connected battery cells.

Das Prinzipschaltbild eines üblichen elektrischen Antriebssystems, wie es beispielsweise in Elektro- und Hybrid-Fahrzeugen oder auch in stationären Anwendungen wie bei der Rotorblattverstellung von Windkraftanlagen zum Einsatz kommt, ist in1 dargestellt. Eine Batterie10 ist an einen Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen, welcher durch einen Kondensator11 gepuffert wird. An den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen ist ein Pulswechselrichter12, der über jeweils zwei schaltbare Halbleiterventile und zwei Dioden an drei Ausgängen gegeneinander phasenversetzte Sinusspannungen für den Betrieb eines elektrischen Antriebsmotors13 bereitstellt. Die Kapazität des Kondensators11 muss groß genug sein, um die Spannung im Gleichspannungszwischenkreis für eine Zeitdauer, in der eines der schaltbaren Halbleiterventile durchgeschaltet wird, zu stabilisieren. In einer praktischen Anwendung wie einem Elektrofahrzeug ergibt sich eine hohe Kapazität im Bereich von mF. Wegen der üblicherweise recht hohen Spannung des Gleichspannungszwischenkreises kann eine so große Kapazität nur unter hohen Kosten und mit hohem Raumbedarf realisiert werden.The block diagram of a conventional electric drive system, as used for example in electric and hybrid vehicles or in stationary applications such as in the rotor blade adjustment of wind turbines, is in 1 shown. Abattery 10 is connected to a DC voltage intermediate circuit, which by acapacitor 11 is buffered. Connected to the DC voltage intermediate circuit is apulse inverter 12 , the in each case via two switchable semiconductor valves and two diodes at three outputs against each other phase-shifted sinusoidal voltages for the operation of anelectric drive motor 13 provides. The capacity of thecapacitor 11 must be large enough to stabilize the voltage in the DC link for a period of time in which one of the switchable semiconductor valves is turned on. In a practical application such as an electric vehicle results in a high capacity in the range of mF. Because of the usually quite high voltage of the DC intermediate circuit such a large capacity can be realized only at high cost and with high space requirements.

2 zeigt die Batterie10 der1 in einem detaillierteren Blockschaltbild. Eine Vielzahl von Batteriezellen sind in Serie sowie optional zusätzlich parallel geschaltet, um eine für eine jeweilige Anwendung gewünschte hohe Ausgangsspannung und Batteriekapazität zu erreichen. Zwischen den Pluspol der Batteriezellen und ein positives Batterieterminal14 ist eine Lade- und Trenneinrichtung16 geschaltet. Optional kann zusätzlich zwischen den Minuspol der Batteriezellen und ein negatives Batterieterminal15 eine Trenneinrichtung17 geschaltet werden. Die Trenn- und Ladeeinrichtung16 und die Trenneinrichtung17 umfassen jeweils ein Schütz18 beziehungsweise19, welche dafür vorgesehen sind, die Batteriezellen von den Batterieterminals14,15 abzutrennen, um letztere spannungsfrei zu schalten. Aufgrund der hohen Gleichspannung der seriengeschalteten Batteriezellen ist andernfalls erhebliches Gefährdungspotential für Wartungspersonal oder dergleichen gegeben. In der Lade- und Trenneinrichtung16 ist zusätzlich ein Ladeschütz20 mit einem zu dem Ladeschütz20 in Serie geschalteten Ladewiderstand21 vorgesehen. Der Ladewiderstand21 begrenzt einen Aufladestrom für den Kondensator11, wenn die Batterie an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen wird. Hierzu wird zunächst das Schütz18 offen gelassen und nur das Ladeschütz20 geschlossen. Erreicht die Spannung am positiven Batterieterminal14 die Spannung der Batteriezellen, kann das Schütz18 geschlossen und gegebenenfalls das Ladeschütz20 geöffnet werden. Die Schütze18,19 und das Ladeschütz20 erhöhen die Kosten für eine Batterie10 nicht unerheblich, da hohe Anforderungen an ihre Zuverlässigkeit und an die von ihnen zu führenden Ströme gestellt werden. 2 shows thebattery 10 of the 1 in a more detailed block diagram. A large number of battery cells are connected in series as well as optionally additionally in parallel in order to achieve a high output voltage and battery capacity desired for a particular application. Between the positive pole of the battery cells and apositive battery terminal 14 is a loading and separatingdevice 16 connected. Optionally, in addition, between the negative pole of the battery cells and a negative battery terminal 15 aseparator 17 be switched. The separating andcharging device 16 and theseparator 17 each include acontactor 18 respectively 19 which are intended to remove the battery cells from thebattery terminals 14 . 15 to disconnect, to de-energize the latter. Due to the high DC voltage of the series-connected battery cells is otherwise significant risk potential for maintenance personnel or the like. In the loading and separatingdevice 16 is additionally acharging contactor 20 with one to thecharging contactor 20 series connectedload resistor 21 intended. Thecharging resistance 21 limits a charging current for thecapacitor 11 when the battery is connected to the DC link. For this purpose, first thecontactor 18 left open and only thecharging contactor 20 closed. Reaches the voltage at thepositive battery terminal 14 the voltage of the battery cells, the contactor can 18 closed and, if necessary, thecharging contactor 20 be opened. Theshooter 18 . 19 and thecharging contactor 20 increase the cost of abattery 10 not insignificant, since high demands are placed on their reliability and on the currents to be supplied by them.

Die Serienschaltung einer hohen Zahl von Batteriezellen bringt neben der hohen Gesamtspannung das Problem mit sich, dass die gesamte Batterie ausfällt, wenn eine einzige Batteriezelle ausfällt, weil der Batteriestrom wegen der Serienschaltung in allen Batteriezellen fließen können muss. Ein solcher Ausfall der Batterie kann zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen. Bei einem Elektrofahrzeug führt ein Ausfall der Antriebsbatterie zu einem so genannten Liegenbleiber, bei anderen Vorrichtungen wie zum Beispiel der Rotorblattverstellung bei Windkraftanlagen bei starkem Wind kann es zu unerwünschten Situationen kommen. Daher ist eine hohe Zuverlässigkeit der Batterie vorteilhaft. Gemäß Definition bedeutet der Begriff „Zuverlässigkeit“ die Fähigkeit eines Systems, für eine vorgegebene Zeit korrekt zu arbeiten.The series connection of a high number of battery cells, in addition to the high total voltage involves the problem that the entire battery fails if a single battery cell fails because the battery power must be able to flow in all battery cells because of the series connection. Such a failure of the battery can lead to a failure of the entire system. In an electric vehicle, a failure of the drive battery leads to a so-called lying down, in other devices such as the rotor blade adjustment in wind turbines in strong winds, there may be undesirable situations. Therefore, high reliability of the battery is advantageous. By definition, the term "reliability" means the ability of a system to operate correctly for a given time.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß wird daher eine Batterie mit wenigstens einem Batteriemodulstrang eingeführt, bei der wenigstens ein Batteriemodulstrang eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen umfasst. Die Batterie ist bevorzugt eine Lithium-Ionen-Batterie. Jedes Batteriemodul umfasst wenigstens eine Batteriezelle und eine Koppeleinheit. Die wenigstens eine Batteriezelle ist zwischen einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang der Koppeleinheit geschaltet. Die Koppeleinheit ist ausgebildet, auf ein erstes Steuersignal hin die wenigstens eine Batteriezelle zwischen ein erstes Terminal des Batteriemoduls und ein zweites Terminal des Batteriemoduls zu schalten und auf ein zweites Steuersignal hin das erste Terminal mit dem zweiten Terminal zu verbinden. An dem Batteriemodulstrang ist ein Mittelabgriff angeordnet, mit welchem ein Potential an einer Verbindung zwischen zwei Batteriemodulen abgreifbar ist. Hierbei sind die zwei Batteriemodule in der Serienschaltung benachbart.According to the invention, therefore, a battery having at least one battery module string is introduced, in which at least one battery module string comprises a plurality of series-connected battery modules. The battery is preferably a lithium-ion battery. Each battery module comprises at least one battery cell and a coupling unit. The at least one battery cell is connected between a first input and a second input of the coupling unit. The coupling unit is configured, in response to a first control signal, to switch the at least one battery cell between a first terminal of the battery module and a second terminal of the battery module and to connect the first terminal to the second terminal in response to a second control signal. At the battery module string a center tap is arranged, with which a potential at a connection between two battery modules can be tapped. Here, the two battery modules are adjacent in the series circuit.

Der Mittelabgriff kann in einer Mitte der Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen angeordnet sein.The center tap may be disposed in a center of the plurality of series-connected battery modules.

An den Batteriemodulstrang können mehrere Mittelabgriffe angeordnet sein, mit welchen ein Potential an einer Verbindung zwischen jeweils zwei Batteriemodulen abgreifbar ist. Hierbei ist jeder der Mittelabgriffe jeweils einem Paar von in der Serienschaltung benachbarten Batteriemodulen zugeordnet. Bevorzugt ist dabei, dass die Mittelabgriffe den Batteriemodulstrang derart unterteilen, dass jede Unterteilung des Batteriemodulstrangs eine gleiche Anzahl an Batteriemodulen umfasst. Die Batterie kann eine Steuereinheit umfassen, welche dazu ausgebildet ist, das erste Steuersignal an eine erste variable Anzahl von Batteriemodulen des wenigstens einen Batteriemodulstranges und das zweite Steuersignal an die verbleibenden Batteriemodule des wenigstens einen Batteriemodulstranges auszugeben und so eine Ausgangsspannung des wenigstens einen Batteriemodulstranges der Batterie variabel einzustellen.Several center taps may be arranged on the battery module string, with which a potential can be tapped off at a connection between in each case two battery modules. In this case, each of the center taps is assigned in each case to a pair of battery modules which are adjacent in the series connection. It is preferred that the center taps subdivide the battery module string such that each subdivision of the battery module string comprises an equal number of battery modules. The battery may include a control unit which is configured to output the first control signal to a first variable number of battery modules of the at least one battery module line and the second control signal to the remaining battery modules of the at least one battery module line and thus an output voltage of the at least one battery module line of the battery variable adjust.

Die Koppeleinheit kann einen Ausgang aufweisen und dazu ausgebildet sein, auf das erste Steuersignal hin entweder den ersten Eingang oder den zweiten Eingang mit dem Ausgang zu verbinden. Dabei ist der Ausgang mit dem ersten Terminal oder mit dem zweiten Terminal des Batteriemoduls verbunden.The coupling unit may have an output and be configured to connect to the first control signal either the first input or the second input to the output. The output is connected to the first terminal or to the second terminal of the battery module.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Antriebssystem für einen elektrischen Antriebsmotor. Das Antriebssystem umfasst eine Batterie mit einem Batteriemodulstrang mit mehreren Mittelabgriffen und einem Multilevel-Inverter. Die Eingänge des Multilevel-Inverters sind dabei mit den Mittelabgriffen verbunden.Another aspect of the invention relates to a drive system for an electric drive motor. The drive system includes a battery having a battery module string with multiple center taps and a multilevel inverter. The inputs of the multilevel inverter are connected to the center taps.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeuges. Der elektrische Antriebsmotor ist mit dem erfindungsgemäßen Antriebssystem verbunden.Another aspect of the invention relates to a motor vehicle with an electric drive motor for driving the motor vehicle. The electric drive motor is connected to the drive system according to the invention.

Zeichnungendrawings

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktional gleichartige Komponenten bezeichnen. Es zeigen:Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings and the description below, wherein like reference numerals designate like or functionally similar components. Show it:

1 ein elektrisches Antriebssystem gemäß dem Stand der Technik, 1 an electric drive system according to the prior art,

2 ein Blockschaltbild einer Batterie gemäß dem Stand der Technik, 2 a block diagram of a battery according to the prior art,

3 eine Koppeleinheit, die in einem Batteriemodulstrang in der erfindungsgemäßen Batterie einsetzbar ist, 3 a coupling unit which can be used in a battery module string in the battery according to the invention,

4 eine erste Ausführungsform der Koppeleinheit, 4 a first embodiment of the coupling unit,

5 eine zweite Ausführungsform der Koppeleinheit, 5 a second embodiment of the coupling unit,

6 die zweite Ausführungsform der Koppeleinheit in einer einfachen Halbleiterschaltung, 6 the second embodiment of the coupling unit in a simple semiconductor circuit,

7 und8 zwei Anordnungen der Koppeleinheit in einem Batteriemodul, 7 and 8th two arrangements of the coupling unit in a battery module,

9 die in6 dargestellte Koppeleinheit in der in7 dargestellten Anordnung, 9 in the 6 illustrated coupling unit in the in 7 arrangement shown,

10 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie, 10 a first embodiment of the battery according to the invention,

11 ein Antriebssystem für einen elektrischen Antriebsmotor mit der erfindungsgemäßen Batterie gemäß der ersten Ausführungsform, und 11 a drive system for an electric drive motor with the battery according to the invention according to the first embodiment, and

12 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie. 12 a second embodiment of the battery according to the invention.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

3 zeigt eine Koppeleinheit30, die in einem Batteriemodulstrang in der erfindungsgemäßen Batterie einsetzbar ist. Die Koppeleinheit30 besitzt zwei Eingänge31 und32 sowie einen Ausgang33 und ist dazu ausgebildet, einen der Eingänge31 oder32 mit dem Ausgang33 zu verbinden und den anderen abzukoppeln. Bei bestimmten Ausführungsformen der Koppeleinheit kann diese außerdem ausgebildet sein, beide Eingänge31,32 vom Ausgang33 abzutrennen. Nicht vorgesehen ist jedoch, sowohl den Eingang31 als auch den Eingang32 mit dem Ausgang33 zu verbinden. 3 shows acoupling unit 30 , which can be used in a battery module string in the battery according to the invention. Thecoupling unit 30 has twoinputs 31 and 32 as well as anexit 33 and is designed to be one of theentrances 31 or 32 with theexit 33 to connect and uncouple the other. In certain embodiments of the coupling unit, this may also be formed, bothinputs 31 . 32 from theexit 33 separate. Not provided, however, is both theentrance 31 as well as theentrance 32 with theexit 33 connect to.

4 zeigt eine erste Ausführungsform der Koppeleinheit30, welche über einen Wechselschalter34 verfügt, welcher prinzipiell nur einen der beiden Eingänge31,32 mit dem Ausgang33 verbinden kann, während der jeweils andere Eingang31,32 vom Ausgang33 abgekoppelt wird. Der Wechselschalter34 kann besonders einfach als elektromechanischer Schalter realisiert werden. 4 shows a first embodiment of thecoupling unit 30 which have onechangeover switch 34 which, in principle, only one of the twoinputs 31 . 32 with theexit 33 can connect while theother input 31 . 32 from theexit 33 is decoupled. Thechangeover switch 34 can be realized particularly simple as an electromechanical switch.

5 zeigt eine zweite Ausführungsform der Koppeleinheit30, bei der ein erster und ein zweiter Schalter35 beziehungsweise36 vorgesehen sind. Jeder der Schalter ist zwischen einen der Eingänge31 beziehungsweise32 und den Ausgang33 geschaltet. Im Gegensatz zu der Ausführungsform von4 bietet diese Ausführungsform den Vorteil, dass auch beide Eingänge31,32 vom Ausgang33 abgekoppelt werden können, so dass der Ausgang33 hochohmig wird. Zudem können die Schalter35,36 einfach als Halbleiterschalter wie zum Beispiel Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor(MOSFET)-Schalter oder Insulated Gate Bipolar Transistor(IGBT)-Schalter verwirklicht werden. Halbleiterschalter haben den Vorteil eines günstigen Preises und einer hohen Schaltgeschwindigkeit, so dass die Koppeleinheit30 innerhalb einer geringen Zeit auf ein Steuersignal beziehungsweise eine Änderung des Steuersignales reagieren kann und hohe Umschaltraten erreichbar sind. 5 shows a second embodiment of thecoupling unit 30 in which a first and asecond switch 35 respectively 36 are provided. Each switch is between one of theinputs 31 respectively 32 and theexit 33 connected. In contrast to the embodiment of 4 this embodiment offers the advantage that bothinputs 31 . 32 from theexit 33 can be disconnected, so that theoutput 33 becomes high impedance. In addition, the switches can 35 . 36 can be easily realized as a semiconductor switch such as metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) switch or insulated gate bipolar transistor (IGBT) switch. Semiconductor switches have the advantage of a low price and a high switching speed, so that thecoupling unit 30 within a short time can respond to a control signal or a change in the control signal and high switching rates can be achieved.

6 zeigt die zweite Ausführungsform der Koppeleinheit in einer einfachen Halbleiterschaltung, bei welcher jeder der Schalter35,36 aus jeweils einem ein- und ausschaltbaren Halbleiterventil und einer zu diesem parallel geschalteten Diode besteht. 6 shows the second embodiment of the coupling unit in a simple semiconductor circuit, in which each of theswitches 35 . 36 each consists of a semiconductor valve which can be switched on and off and a diode connected in parallel therewith.

Die7 und8 zeigen zwei Anordnungen der Koppeleinheit30 in einem Batteriemodul40. Eine Mehrzahl von Batteriezellen41 ist zwischen die Eingänge einer Koppeleinheit30 in Serie geschaltet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine solche Serienschaltung von Batteriezellen beschränkt, es kann auch nur eine einzelne Batteriezelle vorgesehen sein oder aber eine Parallelschaltung oder gemischt-seriell-parallele Schaltung von Batteriezellen. Im Beispiel der7 sind der Ausgang der Koppeleinheit30 mit einem ersten Terminal42 und der negative Pol der Batteriezellen41 mit einem zweiten Terminal43 verbunden. Es ist jedoch eine spiegelbildliche Anordnung wie in8 möglich, bei der der positive Pol der Batteriezellen41 mit dem ersten Terminal42 und der Ausgang der Koppeleinheit30 mit dem zweiten Terminal43 verbunden sind.The 7 and 8th show two arrangements of thecoupling unit 30 in abattery module 40 , A plurality ofbattery cells 41 is between the inputs of acoupling unit 30 connected in series. However, the invention is not limited to such a series connection of battery cells, it can also be provided only a single battery cell or a parallel connection or mixed-serial-parallel circuit of battery cells. In the example of 7 are the output of thecoupling unit 30 with afirst terminal 42 and the negative pole of thebattery cells 41 with asecond terminal 43 connected. However, it is a mirror image arrangement as in 8th possible at the positive pole of thebattery cells 41 with thefirst terminal 42 and the output of thecoupling unit 30 with thesecond terminal 43 are connected.

9 zeigt die in6 dargestellte Koppeleinheit30 in der in7 dargestellten Anordnung. Eine Ansteuerung und Diagnose der Koppeleinheiten30 erfolgt über eine Signalleitung44, welche mit einem nicht dargestellten Steuergerät verbunden ist. 9 shows the in 6 illustratedcoupling unit 30 in the in 7 illustrated arrangement. A control and diagnosis of thecoupling units 30 takes place via asignal line 44 , which is connected to a control unit, not shown.

10 zeigt eine Batterie10 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, welche einen Batteriemodulstrang70 umfasst. Der Batteriemodulstrang70 besteht aus einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen40, die jeweils eine Koppeleinheit30 umfassen und wie in7 oder8 dargestellt aufgebaut sind. Bei dem Zusammensetzen von Batteriemodulen40 zu dem Batteriemodulstrang70 wird jeweils das erste Terminal42 eines Batteriemoduls40 mit dem zweiten Terminal43 eines benachbarten Batteriemoduls40 verbunden. 10 shows abattery 10 according to a first embodiment of the invention, which is abattery module string 70 includes. Thebattery module string 70 consists of a plurality of series-connectedbattery modules 40 , each acoupling unit 30 include and as in 7 or 8th are shown represented. When assemblingbattery modules 40 to thebattery module string 70 becomes the first terminal 42 abattery module 40 with the second terminal 43 a neighboringbattery module 40 connected.

Der in10 dargestellte Batteriemodulstrang70 umfasst sechs Batteriemodule40, welche zwischen einem negativen Pol71 und einem positiven Pol72 des Batteriemodulstrangs70 geschaltet sind. An dem Batteriemodulstrang70 sind zwei Mittelabgriffe73 angeordnet, mit welchen ein Potential an einer Verbindung zwischen jeweils zwei in der Serienschaltung benachbarten Batteriemodulen40 abgreifbar ist. Das heißt, dass jeder der beiden Mittelabgriffe73 jeweils mit einem ersten Terminal42 eines Batteriemoduls40 sowie mit dem zweiten Terminal43 eines benachbarten Batteriemoduls40 verbunden ist.The in 10 illustratedbattery module string 70 includes sixbattery modules 40 which between anegative pole 71 and apositive pole 72 of thebattery module string 70 are switched. On thebattery module string 70 are twomiddle taps 73 arranged with which a potential at a connection between each two adjacent battery modules in theseries circuit 40 can be tapped. That is, each of the two center taps 73 each with a first terminal 42 abattery module 40 as well as with the second terminal 43 a neighboringbattery module 40 connected is.

Der Minuspol71, der Pluspol72 und die Mittelabgriffe73 des Batteriemodulstrangs70 stellen zusammen die Abgriffe der Batterie10 dar. Dadurch, dass die zwischen den Abgriffen angeordneten Batteriemodule40 jeweils Koppeleinheiten30 umfassen, sind die an den Abgriffen einstellbaren Ausgangsspannungen stufig einstellbar.Thenegative pole 71 , theplus pole 72 and the center taps 73 of thebattery module string 70 put together the taps of thebattery 10 The fact that the arranged between thetaps battery modules 40 eachcoupling units 30 include, adjustable at the taps output voltages are adjustable in stages.

Die Batterie10 umfasst eine nicht dargestellte Steuereinheit, welche dazu ausgebildet ist, an eine variable Anzahl von Batteriemodulen40 ein erstes Steuersignal auszugeben, durch welches die Koppeleinheiten30 der so angesteuerten Batteriemodule40 die Batteriezelle (beziehungsweise die Batteriezellen)41 zwischen das erste Terminal42 und das zweite Terminal43 des jeweiligen Batteriemoduls40 schalten. Gleichzeitig gibt die Steuereinheit an die restlichen Batteriemodule40 ein zweites Steuersignal aus, durch welches die Koppeleinheiten30 dieser restlichen Batteriemodule40 das erste Terminal42 und das zweite Terminal43 des jeweiligen Batteriemoduls40 verbinden, wodurch die Batteriezellen41 dieses Batteriemoduls40 überbrückt werden.Thebattery 10 includes a control unit, not shown, which is adapted to a variable number ofbattery modules 40 to output a first control signal, by which thecoupling units 30 the so-calledbattery modules 40 the battery cell (or the battery cells) 41 between thefirst terminal 42 and thesecond terminal 43 of therespective battery module 40 turn. At the same time the control unit gives to the remaining battery modules 40 a second control signal, by which thecoupling units 30 of these remainingbattery modules 40 thefirst terminal 42 and thesecond terminal 43 of therespective battery module 40 connect, causing thebattery cells 41 thisbattery module 40 be bridged.

Durch geeignete Ansteuerung der Mehrzahl von Batteriemodulen40 können somit an den Abgriffen71,72,73 der Batterie10 verschiedene Spannungen ausgegeben werden.By suitable control of the plurality ofbattery modules 40 can thus at thetaps 71 . 72 . 73 thebattery 10 different voltages are output.

Wird beispielsweise an die zwei, zwischen den beiden Mittelabgriffen73 der10 angeordneten Batteriemodule das erste Steuersignal ausgegeben, so nimmt die Spannung zwischen den beiden Mittelabgriffen73 den maximal einstellbaren Wert an. Wird an die beiden Batteriemodule40 dagegen das zweite Steuersignal ausgegeben, so wird zwischen den beiden Mittelabgriffen73 eine Spannung 0 Volt angelegt. Wird an eins der beiden Batteriemodule40 das erste Steuersignal und an das andere Batteriemodul das zweite Steuersignal ausgegeben, so liegt zwischen den Mittelabgriffen73 eine Einzelmodulspannung an.For example, to the two, between the two center taps 73 of the 10 arranged battery modules output the first control signal, so takes the voltage between the two center taps 73 the maximum adjustable value. Connected to the twobattery modules 40 on the other hand, the second control signal output, so is between the two center taps 73 applied a voltage 0 volts. Connects to one of the twobattery modules 40 the first control signal and the second battery module output the second control signal, so is between the center taps 73 a single module voltage.

Sind zwischen zwei benachbarten Abgriffen71,72,73 des Batteriemodulstrangs70 mehr als zwei Batteriemodule40 angeordnet, so liegt zwischen ihnen eine Spannung an, welche der Summe der Modulspannungen jener Batteriemodule40 entspricht, an welche das Steuergerät das erste Steuersignal ausgibt.Are between two adjacent taps 71 . 72 . 73 of thebattery module string 70 more than twobattery modules 40 arranged, there is a voltage between them, which is the sum of the module voltages of thosebattery modules 40 corresponds to which the controller outputs the first control signal.

Durch geeignete Wahl der Schaltzustände der Koppeleinheiten30 kann somit die Spannung zwischen zwei Abgriffen71,72,73 der Batterie10 stufig zwischen 0 Volt und dem Maximalwert eingestellt werden. Die Quantisierungsschritte bei der Einstellung der Ausgangsspannung entsprechen den Modulspannungen der Batteriemodule40 und sind damit von der Anzahl der Batteriezellen41 in den Batteriemodulen40 sowie vom Ladezustand der Batteriezellen41 abhängig.By suitable choice of the switching states of thecoupling units 30 thus can the tension between two taps 71 . 72 . 73 thebattery 10 be set in stages between 0 volts and the maximum value. The quantization steps in the adjustment of the output voltage correspond to the module voltages of thebattery modules 40 and are thus on the number ofbattery cells 41 in thebattery modules 40 as well as the state of charge of thebattery cells 41 dependent.

Die Gesamtausgangsspannung zwischen dem Minuspol71 und dem Pluspol72 des Batteriemodulstrangs70 ergibt sich durch Summation aller Teilspannungen zwischen benachbarten Abgriffen des Batteriemodulstrangs71,72,73.The total output voltage between thenegative pole 71 and thepositive pole 72 of thebattery module string 70 results from summation of all partial voltages between adjacent taps of thebattery module string 71 . 72 . 73 ,

Die Mittelabgriffe73 des in10 dargestellten Batteriemodulstrangs70 unterteilen diesen derart, dass jede Unterteilung des Batteriemodulstrangs70 zwei Batteriemodule40 umfasst.The center taps 73 of in 10 illustratedbattery module string 70 subdivide this so that each subdivision of thebattery module string 70 twobattery modules 40 includes.

11 zeigt ein Antriebssystem für einen elektrischen Antriebsmotor13 mit einer Batterie10 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung und einem Multilevel-Inverter80. Der Multilevel-Inverter80 weist mehrere Eingänge81 und Ausgänge82 auf und ist dazu ausgebildet, an jedem seiner Ausgänge82 eins der Potentiale auszugeben, welches jeweils an einem seiner Eingänge81 anliegt. Die Ausgänge82 des Multilevel-Inverters80 sind mit Eingängen des elektrischen Antriebsmotors13 verbunden. Da die meisten verfügbaren Elektromotoren auf einen Betrieb mit drei Phasensignalen ausgelegt sind, besitzt der Multilevel-Inverter80 bevorzugt genau drei Ausgänge82. Die Eingänge81 des Multilevel-Inverters80 sind sowohl mit den Mittelabgriffen73 als auch den Polen71,72 der Batterie10 verbunden. Dadurch, dass das Potential an jedem der Ausgänge82 der Multilevel-Inverter80 variabel ist und von den Potentialwerten an seinen Eingängen81 abhängt und die an diesen Eingängen81 anliegenden Potentialwerte wiederum durch geeignete Ansteuerung der Batteriemodule40 stufig einstellbar sind, gibt es mehrere mögliche Kombinationen der Ansteuerung der Batterie10 und des Multilevel-Inverters80, welche ein gleiches Phasensignal an den Ausgängen82 des Multilevel-Inverters80 erzeugen, beispielsweise eine näherungsweise sinusförmige Wechselspannung. 11 shows a drive system for anelectric drive motor 13 with abattery 10 according to the first embodiment of the invention and amultilevel inverter 80 , Themultilevel inverter 80 hasseveral entrances 81 and outputs 82 on and is trained to be at each of itsexits 82 to spend one of the potentials, each at one of itsinputs 81 is applied. Theexits 82 of themultilevel inverter 80 are with inputs of theelectric drive motor 13 connected. Since most available electric motors are designed for operation with three phase signals, the multilevel inverter has 80 prefers exactly three exits 82 , Theinputs 81 of themultilevel inverter 80 are both with the center taps 73 as well as thepoles 71 . 72 thebattery 10 connected. This allows the potential at each of theoutputs 82 themultilevel inverter 80 is variable and of the potential values at itsinputs 81 depends and those at theseentrances 81 applied potential values in turn by suitable control of thebattery modules 40 are adjustable in stages, there are several possible combinations of driving thebattery 10 and themultilevel inverter 80 , which have an equal phase signal at theoutputs 82 of themultilevel inverter 80 generate, for example, an approximately sinusoidal AC voltage.

12 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie, in welcher lediglich ein Mittelabgriff73 in einer Mitte von vier in Serie geschalteten Batteriemodulen40 angeordnet ist. 12 shows a second embodiment of the battery according to the invention, in which only acenter tap 73 in the middle of four series-connectedbattery modules 40 is arranged.

Mit der beschriebenen Erfindung ist es möglich, Ausgangsspannungen einer Batterie in mehreren Teilspannungen zur Verfügung zu stellen, wobei die Gesamtspannung und die jeweiligen Teilspannungen stufig einstellbar sind und die Zuverlässigkeit gegenüber Systemen gemäß dem Stand der Technik deutlich erhöht wird.With the described invention, it is possible to provide output voltages of a battery in a plurality of partial voltages, wherein the total voltage and the respective partial voltages are adjustable in stages and reliability over systems according to the prior art is significantly increased.

Claims (8)

Translated fromGerman

Batterie (10) mit wenigstens einem Batteriemodulstrang (70), wobei der wenigstens eine Batteriemodulstrang (70) eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen (40) umfasst,dadurch gekennzeichnet, dass jedes Batteriemodul (40) wenigstens eine Batteriezelle (41) und eine Koppeleinheit (30) umfasst, wobei die wenigstens eine Batteriezelle (41) zwischen einen ersten Eingang (31) und einen zweiten Eingang (32) der Koppeleinheit (30) geschaltet und die Koppeleinheit (30) ausgebildet ist, auf ein erstes Steuersignal hin die wenigstens eine Batteriezelle (41) zwischen ein erstes Terminal (42) des Batteriemoduls (40) und ein zweites Terminal (43) des Batteriemoduls (40) zu schalten und auf ein zweites Steuersignal hin das erste Terminal (42) mit dem zweiten Terminal (43) zu verbinden, und wobei an dem Batteriemodulstrang (70) ein Mittelabgriff (73) angeordnet ist, mit welchem ein Potential an einer Verbindung zwischen zwei Batteriemodulen (40) abgreifbar ist.Battery ( 10 ) with at least one battery module string ( 70 ), wherein the at least one battery module string ( 70 ) a plurality of serially connected battery modules ( 40 ),characterized in that each battery module ( 40 ) at least one battery cell ( 41 ) and a coupling unit ( 30 ), wherein the at least one battery cell ( 41 ) between a first input ( 31 ) and a second input ( 32 ) of the coupling unit ( 30 ) and the coupling unit ( 30 ) is formed, in response to a first control signal, the at least one battery cell ( 41 ) between a first terminal ( 42 ) of the battery module ( 40 ) and a second terminal ( 43 ) of the battery module ( 40 ) and on a second control signal the first terminal ( 42 ) with the second terminal ( 43 ), and wherein on the battery module string ( 70 ) a center tap ( 73 ), with which a potential at a connection between two battery modules ( 40 ) can be tapped.Batterie (10) nach Anspruch 1, wobei der Mittelabgriff (73) in einer Mitte der Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen (40) angeordnet ist.Battery ( 10 ) according to claim 1, wherein the center tap ( 73 ) in a center of the plurality of serially connected battery modules ( 40 ) is arranged.Batterie (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei an dem Batteriemodulstrang (70) mehrere Mittelabgriffe (73) angeordnet sind, mit welchen ein Potential an einer Verbindung zwischen jeweils zwei Batteriemodulen (40) abgreifbar ist.Battery ( 10 ) according to claim 1 or 2, wherein on the battery module string ( 70 ) several center taps ( 73 ) are arranged, with which a potential at a connection between each two battery modules ( 40 ) can be tapped.Batterie (10) nach Anspruch 3, wobei die Mittelabgriffe (73) den Batteriemodulstrang (70) derart unterteilen, dass jede Unterteilung des Batteriemodulstrangs (70) eine gleiche Anzahl an Batteriemodulen (40) umfasst.Battery ( 10 ) according to claim 3, wherein the center taps ( 73 ) the battery module string ( 70 ) such that each subdivision of the battery module string ( 70 ) an equal number of battery modules ( 40 ).Batterie (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Batterie (10) eine Steuereinheit umfasst und die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, das erste Steuersignal an eine erste variable Anzahl von Batteriemodulen (40) des wenigstens einen Batteriemodulstranges (70) und das zweite Steuersignal an die verbleibenden Batteriemodule (40) des wenigstens einen Batteriemodulstranges (70) auszugeben und so eine Ausgangsspannung des wenigstens einen Batteriemodulstranges (70) der Batterie (10) variabel einzustellen.Battery ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein the battery ( 10 ) comprises a control unit and the control unit is designed is the first control signal to a first variable number of battery modules ( 40 ) of the at least one battery module string ( 70 ) and the second control signal to the remaining battery modules ( 40 ) of the at least one battery module string ( 70 ) output and so an output voltage of the at least one battery module string ( 70 ) of the battery ( 10 ) variable.Batterie (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Koppeleinheit (30) einen Ausgang (33) aufweist und dazu ausgebildet ist, auf das erste Steuersignal hin entweder den ersten Eingang (31) oder den zweiten Eingang (32) mit dem Ausgang (33) zu verbinden, und wobei der Ausgang (33) mit dem ersten Terminal (42) oder mit dem zweiten Terminal (43) des Batteriemoduls (40) verbunden ist.Battery ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein the coupling unit ( 30 ) an output ( 33 ) and is adapted, on the first control signal either the first input ( 31 ) or the second input ( 32 ) with the output ( 33 ) and the output ( 33 ) with the first terminal ( 42 ) or with the second terminal ( 43 ) of the battery module ( 40 ) connected is.Antriebssystem für einen elektrischen Antriebsmotor (13), wobei das Antriebssystem eine Batterie (10) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6 und einen Multilevel-Inverter (80) umfasst und wobei Eingänge des Multilevel-Inverters (80) mit den Mittelabgriffen (73) verbunden sind.Drive system for an electric drive motor ( 13 ), wherein the drive system is a battery ( 10 ) according to one of claims 3 to 6 and a multilevel inverter ( 80 ) and wherein inputs of the multilevel inverter ( 80 ) with the middle taps ( 73 ) are connected.Ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor (13) zum Antreiben des Kraftfahrzeuges und einem mit dem elektrischen Antriebsmotor (13) verbundenen Antriebssystem gemäß Anspruch 7.A motor vehicle with an electric drive motor ( 13 ) for driving the motor vehicle and one with the electric drive motor ( 13 ) connected drive system according to claim 7.

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