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

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DE102011075421A1
DE102011075421A1 DE102011075421A DE102011075421A DE102011075421A1 DE 102011075421 A1 DE102011075421 A1 DE 102011075421A1 DE 102011075421 A DE102011075421 A DE 102011075421A DE 102011075421 A DE102011075421 A DE 102011075421A DE 102011075421 A1 DE102011075421 A1 DE 102011075421A1
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DE
Germany
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battery
battery module
terminal
module string
coupling unit
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE102011075421A
Other languages
German (de)
Inventor
Stephan Rees
Holger Fink
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Samsung SDI Co Ltd
Original Assignee
SB LiMotive Germany GmbH
SB LiMotive Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by SB LiMotive Germany GmbH, SB LiMotive Co Ltd filed Critical SB LiMotive Germany GmbH
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Priority to EP12718948.8A priority patent/EP2705589A2/en
Priority to PCT/EP2012/057571 priority patent/WO2012152586A2/en
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Abstract

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.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

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 in 1 dargestellt. Eine Batterie 10 ist an einen Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen, welcher durch einen Kondensator 11 gepuffert wird. An den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen ist ein Pulswechselrichter 12, der über jeweils zwei schaltbare Halbleiterventile und zwei Dioden an drei Ausgängen gegeneinander phasenversetzte Sinusspannungen für den Betrieb eines elektrischen Antriebsmotors 13 bereitstellt. Die Kapazität des Kondensators 11 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. A battery 10 is connected to a DC voltage intermediate circuit, which by a capacitor 11 is buffered. Connected to the DC voltage intermediate circuit is a pulse 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 an electric drive motor 13 provides. The capacity of the capacitor 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 Batterie 10 der 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 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 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 11, 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 Spannung der Batteriezellen, kann das Schütz 18 geschlossen und 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. 2 shows the battery 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 a positive battery terminal 14 is a loading and separating device 16 connected. Optionally, in addition, between the negative pole of the battery cells and a negative battery terminal 15 a separator 17 be switched. The separating and charging device 16 and the separator 17 each include a contactor 18 respectively 19 which are intended to remove the battery cells from the battery 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 separating device 16 is additionally a charging contactor 20 with one to the charging contactor 20 series connected load resistor 21 intended. The charging resistance 21 limits a charging current for the capacitor 11 when the battery is connected to the DC link. For this purpose, first the contactor 18 left open and only the charging contactor 20 closed. Reaches the voltage at the positive battery terminal 14 the voltage of the battery cells, the contactor can 18 closed and, if necessary, the charging contactor 20 be opened. The shooter 18 . 19 and the charging contactor 20 increase the cost of a battery 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 und 8 zwei Anordnungen der Koppeleinheit in einem Batteriemodul, 7 and 8th two arrangements of the coupling unit in a battery module,

9 die in 6 dargestellte Koppeleinheit in der in 7 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 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 abzutrennen. Nicht vorgesehen ist jedoch, sowohl den Eingang 31 als auch den Eingang 32 mit dem Ausgang 33 zu verbinden. 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 as well as an exit 33 and is designed to be one of the entrances 31 or 32 with the exit 33 to connect and uncouple the other. In certain embodiments of the coupling unit, this may also be formed, both inputs 31 . 32 from the exit 33 separate. Not provided, however, is both the entrance 31 as well as the entrance 32 with the exit 33 connect to.

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. 4 shows a first embodiment of the coupling unit 30 which have one changeover switch 34 which, in principle, only one of the two inputs 31 . 32 with the exit 33 can connect while the other input 31 . 32 from the exit 33 is decoupled. The changeover switch 34 can be realized particularly simple as an electromechanical switch.

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 4 bietet diese Ausführungsform den Vorteil, dass auch beide Eingänge 31, 32 vom 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 Insulated Gate Bipolar Transistor(IGBT)-Schalter verwirklicht werden. 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. 5 shows a second embodiment of the coupling unit 30 in which a first and a second switch 35 respectively 36 are provided. Each switch is between one of the inputs 31 respectively 32 and the exit 33 connected. In contrast to the embodiment of 4 this embodiment offers the advantage that both inputs 31 . 32 from the exit 33 can be disconnected, so that the output 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 the coupling 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 Schalter 35, 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 the switches 35 . 36 each consists of a semiconductor valve which can be switched on and off and a diode connected in parallel therewith.

Die 7 und 8 zeigen zwei Anordnungen der Koppeleinheit 30 in einem 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 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 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.The 7 and 8th show two arrangements of the coupling unit 30 in a battery module 40 , A plurality of battery cells 41 is between the inputs of a coupling 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 the coupling unit 30 with a first terminal 42 and the negative pole of the battery cells 41 with a second terminal 43 connected. However, it is a mirror image arrangement as in 8th possible at the positive pole of the battery cells 41 with the first terminal 42 and the output of the coupling unit 30 with the second terminal 43 are connected.

9 zeigt die in 6 dargestellte Koppeleinheit 30 in der in 7 dargestellten Anordnung. Eine Ansteuerung und Diagnose der Koppeleinheiten 30 erfolgt über eine Signalleitung 44, welche mit einem nicht dargestellten Steuergerät verbunden ist. 9 shows the in 6 illustrated coupling unit 30 in the in 7 illustrated arrangement. A control and diagnosis of the coupling units 30 takes place via a signal line 44 , which is connected to a control unit, not shown.

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 Koppeleinheit 30 umfassen und wie in 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. 10 shows a battery 10 according to a first embodiment of the invention, which is a battery module string 70 includes. The battery module string 70 consists of a plurality of series-connected battery modules 40 , each a coupling unit 30 include and as in 7 or 8th are shown represented. When assembling battery modules 40 to the battery module string 70 becomes the first terminal 42 a battery module 40 with the second terminal 43 a neighboring battery module 40 connected.

Der in 10 dargestellte Batteriemodulstrang 70 umfasst sechs Batteriemodule 40, welche zwischen einem negativen Pol 71 und einem positiven Pol 72 des 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. The in 10 illustrated battery module string 70 includes six battery modules 40 which between a negative pole 71 and a positive pole 72 of the battery module string 70 are switched. On the battery module string 70 are two middle taps 73 arranged with which a potential at a connection between each two adjacent battery modules in the series circuit 40 can be tapped. That is, each of the two center taps 73 each with a first terminal 42 a battery module 40 as well as with the second terminal 43 a neighboring battery module 40 connected is.

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 plus pole 72 and the center taps 73 of the battery module string 70 put together the taps of the battery 10 The fact that the arranged between the taps battery modules 40 each coupling units 30 include, adjustable at the taps output voltages 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 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.The battery 10 includes a control unit, not shown, which is adapted to a variable number of battery modules 40 to output a first control signal, by which the coupling units 30 the so-called 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 turn. At the same time the control unit gives to the remaining battery modules 40 a second control signal, by which the coupling units 30 of these remaining battery modules 40 the first terminal 42 and the second terminal 43 of the respective battery module 40 connect, causing the battery cells 41 this battery module 40 be bridged.

Durch geeignete Ansteuerung der Mehrzahl von Batteriemodulen 40 können somit an den Abgriffen 71, 72, 73 der Batterie 10 verschiedene Spannungen ausgegeben werden.By suitable control of the plurality of battery modules 40 can thus at the taps 71 . 72 . 73 the battery 10 different voltages are output.

Wird beispielsweise an die zwei, zwischen den beiden Mittelabgriffen 73 der 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 Mittelabgriffen 73 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 two battery 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 two battery 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 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.Are between two adjacent taps 71 . 72 . 73 of the battery module string 70 more than two battery modules 40 arranged, there is a voltage between them, which is the sum of the module voltages of those battery modules 40 corresponds to which the controller 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 Einstellung der Ausgangsspannung entsprechen den Modulspannungen der Batteriemodule 40 und sind damit von der Anzahl der Batteriezellen 41 in den Batteriemodulen 40 sowie vom Ladezustand der Batteriezellen 41 abhängig.By suitable choice of the switching states of the coupling units 30 thus can the tension between two taps 71 . 72 . 73 the battery 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 the battery modules 40 and are thus on the number of battery cells 41 in the battery modules 40 as well as 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 summation of all partial voltages between adjacent taps of the battery module string 71 . 72 . 73 ,

Die Mittelabgriffe 73 des in 10 dargestellten Batteriemodulstrangs 70 unterteilen diesen derart, dass jede Unterteilung des Batteriemodulstrangs 70 zwei Batteriemodule 40 umfasst.The center taps 73 of in 10 illustrated battery module string 70 subdivide this so that each subdivision of the battery module string 70 two battery modules 40 includes.

11 zeigt ein Antriebssystem für einen elektrischen Antriebsmotor 13 mit einer Batterie 10 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung und einem 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 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. 11 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 , The multilevel inverter 80 has several entrances 81 and outputs 82 on and is trained to be at each of its exits 82 to spend one of the potentials, each at one of its inputs 81 is applied. The exits 82 of the multilevel inverter 80 are with inputs of the electric 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 , The inputs 81 of the multilevel inverter 80 are both with the center taps 73 as well as the poles 71 . 72 the battery 10 connected. This allows the potential at each of the outputs 82 the multilevel inverter 80 is variable and of the potential values at its inputs 81 depends and those at these entrances 81 applied potential values in turn by suitable control of the battery modules 40 are adjustable in stages, there are several possible combinations of driving the battery 10 and the multilevel inverter 80 , which have an equal phase signal at the outputs 82 of the multilevel inverter 80 generate, for example, an approximately sinusoidal AC voltage.

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. 12 shows a second embodiment of the battery according to the invention, in which only a center tap 73 in the middle of four series-connected battery 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)

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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