WO2012152586A2 - Battery with at least one battery module string - Google Patents

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WO2012152586A2 PCT/EP2012/057571 EP2012057571W WO2012152586A2 WO 2012152586 A2 WO2012152586 A2 WO 2012152586A2 EP 2012057571 W EP2012057571 W EP 2012057571W WO 2012152586 A2 WO2012152586 A2 WO 2012152586A2
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Abstract

What is introduced is: a battery (10) with at least one battery module string (70), in which the at least one battery module string (70) comprises a plurality of battery modules (40) connected in series. 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 designed to switch, 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 to connect, in response to a second control signal, the first terminal (42) to the second terminal (43). A centre tap (73) is arranged on the battery module string (70), with which centre tap a potential can be tapped off at a connection between two battery modules (40).

Description

Beschreibung Titel  Description title
Batterie mit wenigstens einem Batteriemodulstrang  Battery with at least one battery module string
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie mit wenigstens einem The present invention relates to a battery having at least one
Batteriemodulstrang, ein Antriebssystem für einen elektrischen Antriebsmotor mit der erfindungsgemäßen Batterie sowie ein Kraftfahrzeug mit dem Battery module string, a drive system for an electric drive motor with the battery according to the invention and a motor vehicle with the
erfindungsgemäßen Antriebssystem. Drive system according to the invention.
Stand der Technik State of the art
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, als auch bei Fahrzeugen wie Hybrid- und Elektrofahrzeugen vermehrt It is becoming apparent that in the future both in stationary applications, and in vehicles such as hybrid and electric vehicles increased
Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden. Um die für eine jeweilige Battery systems will be used. To those for a respective
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 To meet given voltage requirements and available power, 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. It is, however
problematisch, dass es aufgrund nicht exakt identischer Zellkapazitäten und -Spannungen zu Ausgleichsströmen zwischen den parallel geschalteten It is problematic that due to not exactly identical cell capacitances and voltages, there are equalizing currents between the parallel connected ones
Batteriezellen kommen kann. Battery cells can come.
Das Prinzipschaltbild eines üblichen elektrischen Antriebssystems, wie es beispielsweise in Elektro- und Hybrid-Fahrzeugen oder auch in stationären Anwendungen wie bei der Rotorblattverstellung von Windkraftanlagen zum Einsatz kommt, ist in Figur 1 dargestellt. Eine Batterie 10 ist an einen Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen, welcher durch einen 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 shown in Figure 1. A battery 10 is connected to a DC voltage connected, which by a
Kondensator 1 1 gepuffert wird. An den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen ist ein Pulswechselrichter 12, der über jeweils zwei schaltbare Halbleiterventile und zwei Dioden an drei Ausgängen gegeneinander Capacitor 1 1 is buffered. Connected to the DC voltage intermediate circuit is a pulse inverter 12, which is connected via two switchable semiconductor valves and two diodes at three outputs against each other
phasenversetzte Sinusspannungen für den Betrieb eines elektrischen phase-shifted sinusoidal voltages for the operation of an electrical
Antriebsmotors 13 bereitstellt. Die Kapazität des Kondensators 1 1 muss groß genug sein, um die Spannung im Gleichspannungszwischenkreis für eine Zeitdauer, in der eines der schaltbaren Halbleiterventile durchgeschaltet wird, zu stabilisieren. In einer praktischen Anwendung wie einem Elektrofahrzeug ergibt sich eine hohe Kapazität im Bereich von mF. Wegen der üblicherweise recht hohen Spannung des Gleichspannungszwischenkreises kann eine so große Kapazität nur unter hohen Kosten und mit hohem Raumbedarf realisiert werden.  Drive motor 13 provides. The capacitance of the capacitor 1 1 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.
Figur 2 zeigt die Batterie 10 der Figur 1 in einem detaillierteren Blockschaltbild. Eine Vielzahl von Batteriezellen sind in Serie sowie optional zusätzlich parallel geschaltet, um eine für eine jeweilige Anwendung gewünschte hohe FIG. 2 shows the battery 10 of FIG. 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 level of power for a particular application
Ausgangsspannung und Batteriekapazität zu erreichen. Zwischen den Pluspol der Batteriezellen und ein positives Batterieterminal 14 ist eine Lade- und Trenneinrichtung 16 geschaltet. Optional kann zusätzlich zwischen den Minuspol der Batteriezellen und ein negatives Batterieterminal 15 eine Trenneinrichtung 17 geschaltet werden. Die Trenn- und Ladeeinrichtung 16 und die Trenneinrichtung 17 umfassen jeweils ein Schütz 18 beziehungsweise 19, welche dafür vorgesehen sind, die Batteriezellen von den Batterieterminals 14, 15 Output voltage and battery capacity to achieve. Between the positive pole of the battery cells and a positive battery terminal 14, a charging and disconnecting device 16 is connected. Optionally, a separating device 17 can additionally be connected between the negative pole of the battery cells and a negative battery terminal 15. The separating and charging device 16 and the separating device 17 each include a contactor 18 or 19, which are provided, the battery cells of the battery terminals 14, 15th
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 Trenneinrichtung 16 ist zusätzlich ein Ladeschütz 20 mit einem zu dem Ladeschütz 20 in Serie geschalteten Ladewiderstand 21 vorgesehen. Der Ladewiderstand 21 begrenzt einen Aufladestrom für den Kondensator 1 1 , wenn die Batterie an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen wird. Hierzu wird zunächst das Schütz 18 offen gelassen und nur das Ladeschütz 20 geschlossen. Erreicht die Spannung am positiven Batterieterminal 14 die 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 addition, a charging contactor 20 with a charging resistor 20 connected in series with the charging contactor 20 is provided in the charging and disconnecting device 16. The charging resistor 21 limits a charging current for the capacitor 1 1 when the battery is connected to the DC link. For this purpose, the contactor 18 is initially left open and only the charging contactor 20 is closed. When the voltage at the positive battery terminal 14 reaches the
Spannung der Batteriezellen, kann das Schütz 18 geschlossen und Voltage of the battery cells, the contactor 18 can be closed and
gegebenenfalls das Ladeschütz 20 geöffnet werden. Die Schütze 18, 19 und das Ladeschütz 20 erhöhen die Kosten für eine Batterie 10 nicht unerheblich, da hohe Anforderungen an ihre Zuverlässigkeit und an die von ihnen zu führenden Ströme gestellt werden. if necessary, the charging contactor 20 are opened. The contactors 18, 19 and the charging contactor 20 increase the cost of a battery 10 is not insignificant because 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 The series connection of a large 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 current due to the
Serienschaltung in allen Batteriezellen fließen können muss. Ein solcher Ausfall der Batterie kann zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen. Bei einem Series connection must be able to flow in all battery cells. Such a failure of the battery can lead to a failure of the entire system. At a
Elektrofahrzeug führt ein Ausfall der Antriebsbatterie zu einem so genannten Electric vehicle leads to failure of the drive battery to a so-called
Liegenbleiber, bei anderen Vorrichtungen wie zum Beispiel der Lying, in other devices such as the
Rotorblattverstellung bei Windkraftanlagen bei starkem Wind kann es zu Rotor blade adjustment in wind turbines in strong winds can cause it
unerwünschten Situationen kommen. Daher ist eine hohe Zuverlässigkeit der unwanted situations come. Therefore, high reliability of the
Batterie vorteilhaft. Gemäß Definition bedeutet der Begriff„Zuverlässigkeit" die Battery advantageous. By definition, the term "reliability" means the
Fähigkeit eines Systems, für eine vorgegebene Zeit korrekt zu arbeiten. Ability of a system to work correctly for a given time.
Offenbarung der Erfindung Disclosure 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 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 one
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. 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 The center tap may be in a middle of the plurality of series connected ones
Batteriemodulen angeordnet sein. Be arranged 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 einenSeveral 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. Here, each of the center taps is a pair of in the Serial circuit associated with adjacent battery modules. 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 configured to apply the first control signal to a first variable number of battery modules of the at least one
Batteriemodulstranges und das zweite Steuersignal an die verbleibenden Battery module string and the second control signal to the remaining
Batteriemodule des wenigstens einen Batteriemodulstranges auszugeben und so eine Ausgangsspannung des wenigstens einen Batteriemodulstranges der Batterie variabel einzustellen. Issue battery modules of at least one battery module string and so set an output voltage of the at least one battery module string of the battery variable.
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 Another aspect of the invention relates to a drive system for an electric drive motor. The drive system includes a battery with a
Batteriemodulstrang mit mehreren Mittelabgriffen und einem Multilevel-Inverter. Die Eingänge des Multilevel-Inverters sind dabei mit den Mittelabgriffen verbunden. 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. Zeichnungen 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. drawings
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:
Figur 1 ein elektrisches Antriebssystem gemäß dem Stand der Technik, 1 shows an electrical drive system according to the prior art,
Figur 2 ein Blockschaltbild einer Batterie gemäß dem Stand der Technik, Figur 3 eine Koppeleinheit, die in einem Batteriemodulstrang in der Figure 2 is a block diagram of a battery according to the prior art, Figure 3 is a coupling unit, which in a battery module string in the
erfindungsgemäßen Batterie einsetzbar ist, Figur 4 eine erste Ausführungsform der Koppeleinheit, battery according to the invention can be used, FIG. 4 shows a first embodiment of the coupling unit,
Figur 5 eine zweite Ausführungsform der Koppeleinheit, FIG. 5 shows a second embodiment of the coupling unit,
Figur 6 die zweite Ausführungsform der Koppeleinheit in einer einfachen Figure 6 shows the second embodiment of the coupling unit in a simple
Halbleiterschaltung, Semiconductor circuit,
Figur 7 und 8 zwei Anordnungen der Koppeleinheit in einem Batteriemodul, FIGS. 7 and 8 show two arrangements of the coupling unit in a battery module,
Figur 9 die in Figur 6 dargestellte Koppeleinheit in der in Figur 7 dargestellten Anordnung, FIG. 9 shows the coupling unit shown in FIG. 6 in the arrangement shown in FIG. 7,
Figur 10 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie, FIG. 10 shows a first embodiment of the battery according to the invention,
Figur 1 1 ein Antriebssystem für einen elektrischen Antriebsmotor mit der erfindungsgemäßen Batterie gemäß der ersten Ausführungsform, und Figure 1 1 a drive system for an electric drive motor with the battery according to the invention according to the first embodiment, and
Figur 12 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie. Figure 12 shows a second embodiment of the battery according to the invention.
Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention
Figur 3 zeigt eine Koppeleinheit 30, die in einem Batteriemodulstrang in der erfindungsgemäßen Batterie einsetzbar ist. Die Koppeleinheit 30 besitzt zwei Eingänge 31 und 32 sowie einen Ausgang 33 und ist dazu ausgebildet, einen der Eingänge 31 oder 32 mit dem Ausgang 33 zu verbinden und den anderen abzukoppeln. Bei bestimmten Ausführungsformen der Koppeleinheit kann diese außerdem ausgebildet sein, beide Eingänge 31 , 32 vom Ausgang 33 FIG. 3 shows a coupling unit 30 which can be used in a battery module string in the battery according to the invention. The coupling unit 30 has two inputs 31 and 32 and an output 33 and is adapted to connect one of the inputs 31 or 32 to the output 33 and to decouple the other. In certain embodiments of the coupling unit, this can also be formed, both inputs 31, 32 from the output 33rd
abzutrennen. Nicht vorgesehen ist jedoch, sowohl den Eingang 31 als auch den Eingang 32 mit dem Ausgang 33 zu verbinden. separate. However, it is not intended to connect both the input 31 and the input 32 to the output 33.
Figur 4 zeigt eine erste Ausführungsform der Koppeleinheit 30, welche über einen Wechselschalter 34 verfügt, welcher prinzipiell nur einen der beiden Eingänge 31 , 32 mit dem Ausgang 33 verbinden kann, während der jeweils andere Eingang 31 , 32 vom Ausgang 33 abgekoppelt wird. Der Wechselschalter 34 kann besonders einfach als elektromechanischer Schalter realisiert werden. Figur 5 zeigt eine zweite Ausführungsform der Koppeleinheit 30, bei der ein erster und ein zweiter Schalter 35 beziehungsweise 36 vorgesehen sind. Jeder der Schalter ist zwischen einen der Eingänge 31 beziehungsweise 32 und den Ausgang 33 geschaltet. Im Gegensatz zu der Ausführungsform von Figur 4 bietet diese Ausführungsform den Vorteil, dass auch beide Eingänge 31 , 32 vom 4 shows a first embodiment of the coupling unit 30, which has a changeover switch 34, which in principle can connect only one of the two inputs 31, 32 to the output 33, while the respective other input 31, 32 is disconnected from the output 33. The changeover switch 34 can be realized particularly simply as an electromechanical switch. FIG. 5 shows a second embodiment of the coupling unit 30, in which a first and a second switch 35 or 36 are provided. Each of the switches is connected between one of the inputs 31 and 32 and the output 33. In contrast to the embodiment of Figure 4, this embodiment has the advantage that both inputs 31, 32 from
Ausgang 33 abgekoppelt werden können, so dass der Ausgang 33 hochohmig wird. Zudem können die Schalter 35, 36 einfach als Halbleiterschalter wie zum Beispiel Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET)-Schalter oder Output 33 can be disconnected, so that the output 33 is high impedance. In addition, the switches 35, 36 can be easily used as semiconductor switches such as metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) switches or
Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)-Schalter verwirklicht werden. Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) switch can be realized.
Halbleiterschalter haben den Vorteil eines günstigen Preises und einer hohen Schaltgeschwindigkeit, so dass die Koppeleinheit 30 innerhalb einer geringen Zeit auf ein Steuersignal beziehungsweise eine Änderung des Steuersignales reagieren kann und hohe Umschaltraten erreichbar sind. Semiconductor switches have the advantage of a low price and a high switching speed, so that the coupling unit 30 can respond to a control signal or a change of the control signal within a short time and high switching rates can be achieved.
Figur 6 zeigt die zweite Ausführungsform der Koppeleinheit in einer einfachen Halbleiterschaltung, bei welcher jeder der Schalter 35, 36 aus jeweils einem ein- und ausschaltbaren Halbleiterventil und einer zu diesem parallel geschalteten Diode besteht. FIG. 6 shows the second embodiment of the coupling unit in a simple semiconductor circuit, in which each of the switches 35, 36 consists in each case of a semiconductor valve which can be switched on and off and a diode connected in parallel thereto.
Die Figuren 7 und 8 zeigen zwei Anordnungen der Koppeleinheit 30 in einem FIGS. 7 and 8 show two arrangements of the coupling unit 30 in one
Batteriemodul 40. Eine Mehrzahl von Batteriezellen 41 ist zwischen die Eingänge einer Koppeleinheit 30 in Serie geschaltet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine solche Serienschaltung von Batteriezellen beschränkt, es kann auch nur eine einzelne Batteriezelle vorgesehen sein oder aber eine Parallelschaltung oder gemischt-seriell-parallele Schaltung von Batteriezellen. Im Beispiel der Figur 7 sind der Ausgang der Koppeleinheit 30 mit einem ersten Terminal 42 und der negative Pol der Batteriezellen 41 mit einem zweiten Terminal 43 verbunden. Es ist jedoch eine spiegelbildliche Anordnung wie in Figur 8 möglich, bei der der positive Pol der Batteriezellen 41 mit dem ersten Terminal 42 und der Ausgang der Koppeleinheit 30 mit dem zweiten Terminal 43 verbunden sind. Battery module 40. A plurality of battery cells 41 is connected in series between the inputs of a coupling unit 30. 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 FIG. 7, the output of the coupling unit 30 is connected to a first terminal 42 and the negative pole of the battery cells 41 to a second terminal 43. However, it is possible a mirror image arrangement as in Figure 8, in which the positive pole of the battery cells 41 are connected to the first terminal 42 and the output of the coupling unit 30 to the second terminal 43.
Figur 9 zeigt die in Figur 6 dargestellte Koppeleinheit 30 in der in Figur 7 dargestellten Anordnung. Eine Ansteuerung und Diagnose der Koppeleinheiten 30 erfolgt über eine Signalleitung 44, welche mit einem nicht dargestellten Steuergerät verbunden ist. Figur 10 zeigt eine Batterie 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, welche einen Batteriemodulstrang 70 umfasst. Der Batteriemodulstrang 70 besteht aus einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen 40, die jeweils eine FIG. 9 shows the coupling unit 30 shown in FIG. 6 in the arrangement shown in FIG. A control and diagnosis of the coupling units 30 via a signal line 44, which is connected to a control unit, not shown. FIG. 10 shows a battery 10 according to a first embodiment of the invention, which comprises a battery module string 70. The battery module string 70 consists of a plurality of series-connected battery modules 40, each having a
Koppeleinheit 30 umfassen und wie in Figur 7 oder 8 dargestellt aufgebaut sind. Bei dem Zusammensetzen von Batteriemodulen 40 zu dem Batteriemodulstrang 70 wird jeweils das erste Terminal 42 eines Batteriemoduls 40 mit dem zweiten Terminal 43 eines benachbarten Batteriemoduls 40 verbunden. Coupling unit 30 include and as shown in Figure 7 or 8 are constructed. When assembling battery modules 40 to the battery module string 70, in each case the first terminal 42 of a battery module 40 is connected to the second terminal 43 of an adjacent battery module 40.
Der in Figur 10 dargestellte Batteriemodulstrang 70 umfasst sechs Batteriemodule 40, welche zwischen einem negativen Pol 71 und einem positiven Pol 72 des The battery module string 70 illustrated in FIG. 10 comprises six battery modules 40, which are connected between a negative pole 71 and a positive pole 72 of FIG
Batteriemodulstrangs 70 geschaltet sind. An dem Batteriemodulstrang 70 sind zwei Mittelabgriffe 73 angeordnet, mit welchen ein Potential an einer Verbindung zwischen jeweils zwei in der Serienschaltung benachbarten Batteriemodulen 40 abgreifbar ist. Das heißt, dass jeder der beiden Mittelabgriffe 73 jeweils mit einem ersten Terminal 42 eines Batteriemoduls 40 sowie mit dem zweiten Terminal 43 eines benachbarten Batteriemoduls 40 verbunden ist. Battery module string 70 are connected. Arranged on the battery module string 70 are two center taps 73, with which a potential can be tapped off at a connection between in each case two battery modules 40 adjacent in the series connection. This means that each of the two center taps 73 is respectively connected to a first terminal 42 of a battery module 40 and to the second terminal 43 of an adjacent battery module 40.
Der Minuspol 71 , der Pluspol 72 und die Mittelabgriffe 73 des Batteriemodulstrangs 70 stellen zusammen die Abgriffe der Batterie 10 dar. Dadurch, dass die zwischen den Abgriffen angeordneten Batteriemodule 40 jeweils Koppeleinheiten 30 umfassen, sind die an den Abgriffen einstellbaren Ausgangsspannungen stufig einstellbar. The negative pole 71, the positive pole 72 and the center taps 73 of the battery module strand 70 together represent the taps of the battery 10. Because the battery modules 40 arranged between the taps each comprise coupling units 30, the output voltages which can be set at the taps are adjustable in stages.
Die Batterie 10 umfasst eine nicht dargestellte Steuereinheit, welche dazu ausgebildet ist, an eine variable Anzahl von Batteriemodulen 40 ein erstes Steuersignal auszugeben, durch welches die Koppeleinheiten 30 der so angesteuerten The battery 10 includes a control unit, not shown, which is adapted to output to a variable number of battery modules 40, a first control signal through which the coupling units 30 of the thus controlled
Batteriemodule 40 die Batteriezelle (beziehungsweise die Batteriezellen) 41 zwischen das erste Terminal 42 und das zweite Terminal 43 des jeweiligen Batteriemoduls 40 schalten. Gleichzeitig gibt die Steuereinheit an die restlichen Batteriemodule 40 ein zweites Steuersignal aus, durch welches die Koppeleinheiten 30 dieser restlichen Batteriemodule 40 das erste Terminal 42 und das zweite Terminal 43 des jeweiligen Batteriemoduls 40 verbinden, wodurch die Batteriezellen 41 dieses Batteriemoduls 40 überbrückt werden. Battery modules 40, the battery cell (or the battery cells) 41 between the first terminal 42 and the second terminal 43 of the respective battery module 40 switch. At the same time, the control unit outputs to the remaining battery modules 40 a second control signal, by which the coupling units 30 of these remaining battery modules 40 connect the first terminal 42 and the second terminal 43 of the respective battery module 40, whereby the battery cells 41 of this battery module 40 are bridged.
Durch geeignete Ansteuerung der Mehrzahl von Batteriemodulen 40 können somit an den Abgriffen 71 , 72, 73 der Batterie 10 verschiedene Spannungen ausgegeben werden. Wird beispielsweise an die zwei, zwischen den beiden Mittelabgriffen 73 der Figur 10 angeordneten Batteriemodule das erste Steuersignal ausgegeben, so nimmt die Spannung zwischen den beiden Mittelabgriffen 73 den maximal einstellbaren Wert an. Wird an die beiden Batteriemodule 40 dagegen das zweite Steuersignal ausgegeben, so wird zwischen den beiden Mittelabgriffen 73 eine Spannung 0 Volt angelegt. Wird an eins der beiden Batteriemodule 40 das erste Steuersignal und an das andere Batteriemodul das zweite Steuersignal ausgegeben, so liegt zwischen den By suitable activation of the plurality of battery modules 40, different voltages can thus be output at the taps 71, 72, 73 of the battery 10. If, for example, the first control signal is output to the two battery modules arranged between the two center taps 73 of FIG. 10, the voltage between the two center taps 73 assumes the maximum adjustable value. If, on the other hand, the second control signal is output to the two battery modules 40, then a voltage 0 V is applied between the two center taps 73. If the first control signal is output to one of the two battery modules 40 and the second control signal is output to the other battery module, then there is between the two
Mittelabgriffen 73 eine Einzelmodulspannung an. Center taps 73 a single module voltage.
Sind zwischen zwei benachbarten Abgriffen 71 , 72, 73 des Batteriemodulstrangs 70 mehr als zwei Batteriemodule 40 angeordnet, so liegt zwischen ihnen eine Spannung an, welche der Summe der Modulspannungen jener Batteriemodule 40 entspricht, an welche das Steuergerät das erste Steuersignal ausgibt. If more than two battery modules 40 are arranged between two adjacent taps 71, 72, 73 of the battery module string 70, a voltage is applied between them, which corresponds to the sum of the module voltages of those battery modules 40 to which the control unit outputs the first control signal.
Durch geeignete Wahl der Schaltzustände der Koppeleinheiten 30 kann somit die Spannung zwischen zwei Abgriffen 71 , 72, 73 der Batterie 10 stufig zwischen 0 Volt und dem Maximalwert eingestellt werden. Die Quantisierungsschritte bei der By suitable choice of the switching states of the coupling units 30, the voltage between two taps 71, 72, 73 of the battery 10 can thus be adjusted in stages between 0 volts and the maximum value. The quantization steps in the
Einstellung der Ausgangsspannung entsprechen den Modulspannungen der Adjustment of the output voltage correspond to the module voltages of the
Batteriemodule 40 und sind damit von der Anzahl der Batteriezellen 41 in den Battery modules 40 and are thus of the number of battery cells 41 in the
Batteriemodulen 40 sowie vom Ladezustand der Batteriezellen 41 abhängig. Battery modules 40 and the state of charge of the battery cells 41 dependent.
Die Gesamtausgangsspannung zwischen dem Minuspol 71 und dem Pluspol 72 des Batteriemodulstrangs 70 ergibt sich durch Summation aller Teilspannungen zwischen benachbarten Abgriffen des Batteriemodulstrangs 71 , 72, 73. The total output voltage between the negative pole 71 and the positive pole 72 of the battery module string 70 results from the summation of all partial voltages between adjacent taps of the battery module string 71, 72, 73.
Die Mittelabgriffe 73 des in Figur 10 dargestellten Batteriemodulstrangs 70 unterteilen diesen derart, dass jede Unterteilung des Batteriemodulstrangs 70 zwei Batteriemodule 40 umfasst. The center taps 73 of the battery module string 70 shown in FIG. 10 subdivide it such that each subdivision of the battery module string 70 comprises two battery modules 40.
Figur 1 1 zeigt ein Antriebssystem für einen elektrischen Antriebsmotor 13 mit einer Batterie 10 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung und einem Figure 1 1 shows a drive system for an electric drive motor 13 with a battery 10 according to the first embodiment of the invention and a
Multilevel-Inverter 80. Der Multilevel-Inverter 80 weist mehrere Eingänge 81 und Ausgänge 82 auf und ist dazu ausgebildet, an jedem seiner Ausgänge 82 eins der Potentiale auszugeben, welches jeweils an einem seiner Eingänge 81 anliegt. Die Ausgänge 82 des Multilevel-Inverters 80 sind mit Eingängen des elektrischen Antriebsmotors 13 verbunden. Da die meisten verfügbaren Elektromotoren auf einen Betrieb mit drei Phasensignalen ausgelegt sind, besitzt der Multilevel-Inverter 80 bevorzugt genau drei Ausgänge 82. Die Eingänge 81 des Multilevel-Inverters 80 sind sowohl mit den Mittelabgriffen 73 als auch den Polen 71 , 72 der Batterie 10 verbunden. Dadurch, dass das Potential an jedem der Ausgänge 82 der Multilevel-Inverter 80 variabel ist und von den Potentialwerten an seinen Eingängen 81 abhängt und die an diesen Eingängen 81 anliegenden Potentialwerte wiederum durch geeignete Multilevel inverter 80. The multilevel inverter 80 has a plurality of inputs 81 and outputs 82 and is configured to output one of the potentials at each of its outputs 82, which is applied to one of its inputs 81. The outputs 82 of the multilevel inverter 80 are connected to inputs of the electrical Drive motor 13 connected. Since most available electric motors are designed for operation with three phase signals, the multilevel inverter 80 preferably has exactly three outputs 82. The inputs 81 of the multilevel inverter 80 are connected both to the center taps 73 and the poles 71, 72 of the battery 10 connected. By virtue of the fact that the potential at each of the outputs 82 of the multilevel inverters 80 is variable and depends on the potential values at its inputs 81 and the potential values applied to these inputs 81 are again selected by suitable means
Ansteuerung der Batteriemodule 40 stufig einstellbar sind, gibt es mehrere mögliche Kombinationen der Ansteuerung der Batterie 10 und des Multilevel-Inverters 80, welche ein gleiches Phasensignal an den Ausgängen 82 des Multilevel-Inverters 80 erzeugen, beispielsweise eine näherungsweise sinusförmige Wechselspannung. Control of the battery modules 40 are adjustable in stages, there are several possible combinations of the control of the battery 10 and the multilevel inverter 80, which generate an equal phase signal at the outputs 82 of the multilevel inverter 80, for example, an approximately sinusoidal AC voltage.
Figur 12 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie, in welcher lediglich ein Mittelabgriff 73 in einer Mitte von vier in Serie geschalteten Batteriemodulen 40 angeordnet ist. FIG. 12 shows a second embodiment of the battery according to the invention in which only one center tap 73 is arranged in a center of four battery modules 40 connected in series.
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 invention described, it is possible to provide output voltages of a battery in several partial voltages, wherein the total voltage and the respective partial voltages are adjustable in stages and the reliability is significantly increased compared to systems according to the prior art.

Claims

Ansprüche claims
1 . 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 1 . Battery (10) having at least one battery module string (70), wherein the at least one battery module string (70) comprises a plurality of series-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) connected 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 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) to switch and on a second control signal to the first terminal (42) with the second terminal (43) and wherein on the battery module string (70) a center tap (73) is arranged, with which a potential at a connection between two
Batteriemodulen (40) abgreifbar ist.  Battery modules (40) can be tapped off.
2. Batterie (10) nach Anspruch 1 , wobei der Mittelabgriff (73) in einer Mitte der Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen (40) angeordnet ist. The battery (10) of claim 1, wherein the center tap (73) is disposed in a center of the plurality of battery modules (40) connected in series.
3. 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. 3. Battery (10) according to claim 1 or 2, wherein on the battery module string (70) a plurality of center taps (73) are arranged, with which a potential at a connection between each two battery modules (40) can be tapped.
4. Batterie (10) nach Anspruch 3, wobei die Mittelabgriffe (73) den 4. Battery (10) according to claim 3, wherein the Mittelabgriffe (73) the
Batteriemodulstrang (70) derart unterteilen, dass jede Unterteilung des Batteriemodulstrangs (70) eine gleiche Anzahl an Batteriemodulen (40) umfasst. 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. Divide the battery module string (70) such that each subdivision of the battery module string (70) comprises an equal number of battery modules (40). A battery (10) according to any one of the preceding claims, wherein the battery (10) comprises a control unit and the control unit is adapted to apply 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 output to the remaining battery modules (40) of the at least one battery module string (70) and thus to variably set an output voltage of the at least one battery module string (70) of the battery (10).
Batterie (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die A battery (10) according to any one of the preceding claims, wherein the
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. Coupling unit (30) has an output (33) and is adapted to connect to the first control signal either the first input (31) or the second input (32) to the output (33), and wherein the output (33) is connected to the first terminal (42) or to the second terminal (43) of the battery module (40).
Antriebssystem für einen elektrischen Antriebsmotor (13), wobei das Drive system for an electric drive motor (13), wherein the
Antriebssystem eine Batterie (10) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6 und einen Multilevel-Inverter (80) umfasst und wobei Eingänge des Drive system comprises a battery (10) according to one of claims 3 to 6 and a multilevel inverter (80) and wherein inputs of the
Multilevel-Inverters (80) mit den Mittelabgriffen (73) verbunden sind. Multilevel inverter (80) are connected to the center taps (73).
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 having an electric drive motor (13) for driving the motor vehicle and a drive system connected to the electric drive motor (13) according to claim 7.
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