Batteriesvstem mit variabel einstellbarer Zwischenkreisspannung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem mit variabel einstellbarer Zwischenkreisspannung und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Batteriesystems.

Stand der Technik

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.

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

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 5 stabilisieren. In einer praktischen Anwendung wie einem Elektrofahrzeug ergibt sich eine hohe Kapazität im Bereich von mF.

Figur 2 zeigt die Batterie 10 der Figur 1 in einem detaillierteren Blockschaltbild. Eine Vielzahl von Batteriezellen sind in Serie sowie optional zusätzlich parallel o 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 175 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 abzutrennen, um die Batterieterminals spannungsfrei zu schalten. Aufgrund der hohen Gleichspannung der seriengeschalteten Batteriezellen ist andernfalls erhebliches o 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 5 wird zunächst das Schütz 18 offen gelassen und nur der Ladeschütz 20

geschlossen. Erreicht die Spannung am positiven Batterieterminal 14 die Spannung der Batteriezellen, kann das Schütz 19 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 0 hohe Anforderungen an ihre Zuverlässigkeit und an die von ihnen zu führenden

Ströme gestellt werden.

Offenbarung der Erfindung 5 Erfindungsgemäß wird daher ein Batteriesystem mit einer Batterie, einem mit der

Batterie verbundenen Gleichspannungszwischenkreis, einem mit dem Gleichspannungszwischenkreis verbundenen Wechselrichter und einem mit dem Wechselrichter verbundenen elektrischen Motor vorgeschlagen. Der

Gleichspannungszwischenkreis enthält einen Kondensator und die Batterie einen Batteriemodulstrang mit einer Mehrzahl von in Serie geschalteten

Batteriemodulen und eine Steuereinheit. Jedes Batteriemodul umfasst eine Koppeleinheit und wenigstens eine zwischen einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang der Koppeleinheit geschaltete Batteriezelle. 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. Die Steuereinheit ist ausgebildet, das erste Steuersignal an eine variable Anzahl von Batteriemodulen des Batteriemodulsstranges und das zweite Steuersignal an die verbleibenden Batteriemodule des Batteriemodulstranges auszugeben und so eine Spannung des Gleichspannungszwischenkreises variabel einzustellen.

Die Erfindung besitzt den Vorteil, dass eine Spannung des

Gleichspannungszwischenkreises variabel eingestellt und so an unterschiedliche Betriebssituationen angepasst werden kann. Auf diese Weise können

Drehmoment beziehungsweise Drehzahl des elektrischen Motors in einem größeren Maße unabhängig von der jeweiligen Leistung des Motors eingestellt werden. Die Spannung des Gleichspannungszwischenkreises kann so optimal für den jeweils aktuellen Betriebszustand des elektrischen Motors, z. B. in einem Antriebssystem eines Kraftfahrzeuges, eingestellt werden. Außerdem wird die Zuverlässigkeit des Batteriesystems erhöht, weil defekte Batteriemodule, also Batteriemodule, deren wenigstens eine Batteriezelle defekt ist, deaktiviert werden können. Unter Zuverlässigkeit versteht man die Fähigkeit eines Systems, für eine vorgegebene Zeit korrekt zu arbeiten. Wrd ein Batteriemodul deaktiviert, steht dem Batteriesystem nicht mehr die maximal mögliche Spannung des

Gleichspannungszwischenkreises zur Verfügung. Dies führt aber in einem Antriebssystem nicht zu einem Ausfall des gesamten Systems, sondern nur zu einem Betrieb mit reduzierter Leistung.

Besonders bevorzugt ist die Batterie dabei direkt mit dem

Gleichspannungszwischenkreis verbunden, das heißt, es sind keine Lade- und Trenneinrichtung 16 und Trenneinrichtung 17, wie in Figur 2 gezeigt, vorgesehen. Diese Lade- und Trenneinrichtungen 16, 17 müssen hohen

Anforderungen entsprechen und auch unter Last eine sichere Abtrennung der Batterie ermöglichen. Weil die Koppeleinheiten jedoch bereits eine solche Abtrennfunktion bieten, wird es möglich, die Batteriekontakte spannungsfrei zu schalten, indem die Koppeleinheiten entsprechend angesteuert werden. Aus diesem Grund ist davon auszugehen, dass die Forderung nach solchen

Trenneinrichtungen nicht aufrechterhalten wird, da die erwünschte Sicherheit der Gesamtanordnung auch ohne galvanische Trennung erreicht wird. Selbst eine fehlerhafte Serienschaltung von mehreren Halbleiterschaltern in den

Koppeleinheiten, beispielsweise aufgrund eines Durchlegierens von

pn-Übergängen, kann nicht dazu führen, dass unzulässig hohe Spannungen an den Anschlüssen der Batterie anliegen.

Um die Betriebssicherheit zu erhöhen, kann bei einer Ausführungsvariante des Batteriesystems wenigstens eine der Koppeleinheiten des Batteriemodulstranges ausgebildet sein, das erste Terminal des jeweiligen Batteriemoduls vom zweiten Terminal auf ein drittes Steuersignal hin voneinander und von der wenigstens einen Batteriezelle abzutrennen. Hierbei wird das Batteriemodul mit der

Koppeleinheit hochohmig geschaltet, das heißt, es werden beide Pole des Batteriemoduls elektrisch nicht leitend geschaltet und somit abgekoppelt. In Kombination mit der vorhergehenden Ausführungsform kann die Sicherheit weiter erhöht werden, weil bis zur doppelten Anzahl Schalter sperrend geschaltet sein kann. Dieses Merkmal der Ausführungsform der Erfindung kann aber auch unabhängig von Sicherheitsaspekten verwirklicht werden.

Die Koppeleinheit kann einen ersten Ausgang aufweisen und ausgebildet sein, auf das erste Steuersignal hin entweder den ersten Eingang oder den zweiten Eingang mit dem Ausgang zu verbinden. Der Ausgang ist dabei mit einem der Terminals des Batteriemoduls und einer von erstem oder zweitem Eingang mit dem anderen der Terminals des Batteriemoduls verbunden. Eine solche

Koppeleinheit kann mit dem Einsatz von nur zwei Schaltern, bevorzugt

Halbleiterschaltern wie MOSFETs oder IGBTs, realisiert werden.

Alternativ kann die Koppeleinheit einen ersten Ausgang und einen zweiten Ausgang aufweisen und ausgebildet sein, auf das erste Steuersignal hin den ersten Eingang mit dem ersten Ausgang und den zweiten Eingang mit dem zweiten Ausgang zu verbinden. Dabei ist die Koppeleinheit außerdem ausgebildet, auf das zweite Steuersignal hin den ersten Eingang vom ersten Ausgang und den zweiten Eingang vom zweiten Ausgang abzutrennen und den ersten Ausgang mit dem zweiten Ausgang zu verbinden. Diese Ausführungsform benötigt einen etwas höheren Schaltungsaufwand (gewöhnlich drei Schalter), koppelt aber die Batteriezellen des Batteriemoduls an dessen beiden Polen ab, so dass bei einer drohenden Tiefentladung oder einer Beschädigung eines Batteriemoduls dessen Batteriezellen spannungsfrei geschaltet und so im fortwährenden Betrieb der Gesamtanordnung gefahrlos ausgetauscht werden können.

Die Steuereinheit kann eine Batteriezelldiagnoseeinheit enthalten, die mit den Batteriezellen der Batteriemodule verbunden oder verbindbar ist. Die

Batteriezelldiagnoseeinheit ist dabei ausgebildet, einen Alterungszustand der Batteriezellen zu bestimmen. Die Steuereinheit ist dann ausgebildet, das zweite Steuersignal an Batteriemodule auszugeben, für deren Batteriezellen die Batteriezelldiagnoseeinheit einen Alterungszustand bestimmt hat, der größer als ein vorbestimmter maximaler Alterungszustand ist. Die

Batteriezelldiagnoseeinheit kann beliebige bekannte Diagnoseverfahren anwenden, um den Alterungszustand einer Batteriezelle oder einer Gruppe von Batteriezellen zu bestimmen. So können charakteristische Parameter der Batteriezellen wie Zellspannung, Zelltemperatur, Batteriestrom, dynamische Änderung der Zellspannung bei Lastwechsel und dergleichen erfasst und ausgewertet werden. Übertrifft der für eine Batteriezelle oder mehrere

Batteriezellen eines Batteriemoduls festgestellte Alterungszustand den vorbestimmten maximalen Alterungszustand, wird das Batteriemodul inaktiv geschaltet, seine Ausgänge also überbrückt. Dies kann vorteilhaft im Rahmen eines Cell-Balancings oder aber zum Schutz der Batteriezellen vor Tiefentladung eingesetzt werden.

Besonders bevorzugt sind die Batteriezellen Lithium-Ionen-Batteriezellen.

Lithium-Ionen-Batteriezellen besitzen die Vorteile einer hohen Zellspannung und eines hohen Energiegehaltes in einem gegebenen Volumen. Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem

Batteriesystem gemäß dem ersten Erfindungsaspekt, bei dem der elektrische Motor ausgebildet ist, das Kraftfahrzeug anzutreiben. Ein dritter Aspekt der Erfindung führt ein Verfahren zum Betreiben eines

Batteriesystems mit einer Batterie, einem mit der Batterie verbundenen Gleichspannungszwischenkreis, einem mit dem Gleichspannungszwischenkreis verbundenen Wechselrichter und einem mit dem Wechselrichter verbundenen elektrischen Motor ein. Die Batterie enthält dabei eine Mehrzahl von

Batteriezellen. Das Verfahren weist wenigstens die folgenden Schritte auf:

Abkoppeln einer Anzahl von Batteriezellen;

Überbrücken der Anzahl von Batteriezellen; und

Serienschalten der verbleibenden Batteriezellen,

so dass eine Spannung des Gleichspannungszwischenkreises variabel eingestellt wird.

Das Verfahren kann zusätzliche Schritte des Bestimmens eines

Alterungszustandes der Batteriezellen und des Vergleichens der

Alterungszustände der Batteriezellen mit einem vorgegebenen maximalen Alterungszustand enthalten, wobei die Anzahl von Batteriezellen genau diejenigen Batteriezellen umfasst, deren Alterungszustand größer als der maximale Alterungszustand ist.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktional gleichartige Komponenten bezeichnen. Es zeigen: Figur 1 ein elektrisches Antriebssystem gemäß dem Stand der Technik,

Figur 2 ein Blockschaltbild einer Batterie gemäß dem Stand der Technik,

Figur 3 eine erste Ausführung einer Koppeleinheit zum Einsatz in der erfindungsgemäßen Batterie, Figur 4 eine mögliche schaltungstechnische Umsetzung der ersten

Ausführungsform der Koppeleinheit,

Figuren 5A und 5B zwei Ausführungsformen eines Batteriemoduls mit der ersten Ausführungsform der Koppeleinheit,

Figur 6 eine zweite Ausführungsform einer Koppeleinheit zum Einsatz in der erfindungsgemäßen Batterie,

Figur 7 eine mögliche schaltungstechnische Umsetzung der zweiten

Ausführungsform der Koppeleinheit,

Figur 8 eine Ausführungsform eines Batteriemoduls mit der zweiten

Ausführungsform der Koppeleinheit, und

Figur 9 eine Batterie für den Einsatz in dem erfindungsgemäßen Batteriesystem. Ausführungsformen der Erfindung

Figur 3 zeigt eine erste Ausführung einer Koppeleinheit 30 zum Einsatz in dem erfindungsgemäßen Batteriesystem. Die Koppeleinheit 30 besitzt zwei Eingänge 31 und 32 sowie einen Ausgang 33 und ist ausgebildet, einen der Eingänge 31 oder 32 mit dem Ausgang 33 zu verbinden und den anderen abzukoppeln.

Figur 4 zeigt eine mögliche schaltungstechnische Umsetzung der ersten

Ausführungsform der Koppeleinheit 30, bei der ein erster und ein zweiter Schalter 35 beziehungsweise 36 vorgesehen sind. Jeder der Schalter 35, 36 ist zwischen einen der Eingänge 31 beziehungsweise 32 und den Ausgang 33 geschaltet. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass auch beide Eingänge 31 , 32 vom Ausgang 33 abgekoppelt werden können, so dass der Ausgang 33 hochohmig wird, was beispielsweise im Fall einer Reparatur oder Wartung nützlich sein kann. Zudem können die Schalter 35, 36 einfach als

Halbleiterschalter wie z. B. MOSFETs oder IGBTs 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 Steuersignals reagieren kann.

Die Figuren 5A und 5B zeigen zwei Ausführungsformen eines Batteriemoduls 40 mit der ersten Ausführungsform der Koppeleinheit 30. Eine Mehrzahl von

Batteriezellen 11 ist zwischen die Eingänge der Koppeleinheit 30 in Serie geschaltet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine solche Serienschaltung von Batteriezellen 11 beschränkt, es kann auch nur eine einzelne Batteriezelle 1 1 vorgesehen sein oder aber eine Parallelschaltung oder gemischt-seriell-parallele Schaltung von Batteriezellen 1 1. Im Beispiel der Figur 5A sind der Ausgang der

Koppeleinheit 30 mit einem ersten Terminal 41 und der negative Pol der Batteriezellen 11 mit einem zweiten Terminal 42 verbunden. Es ist jedoch eine beinahe spiegelbildliche Anordnung wie in Figur 5B möglich, bei der der positive Pol der Batteriezellen 11 mit dem ersten Terminal 41 und der Ausgang der Koppeleinheit 30 mit dem zweiten Terminal 42 verbunden sind.

Figur 6 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Koppeleinheit 50 zum Einsatz in dem erfindungsgemäßen Batteriesystem. Die Koppeleinheit 50 besitzt zwei Eingänge 51 und 52 sowie zwei Ausgänge 53 und 54. Sie ist ausgebildet, entweder den ersten Eingang 51 mit dem ersten Ausgang 53 sowie den zweiten

Eingang 52 mit dem zweiten Ausgang 54 zu verbinden (und den ersten Ausgang 53 vom zweiten Ausgang 54 abzukoppeln) oder aber den ersten Ausgang 53 mit dem zweiten Ausgang 54 zu verbinden (und dabei die Eingänge 51 und 52 abzukoppeln). Bei bestimmten Ausführungsformen der Koppeleinheit 50 kann diese außerdem ausgebildet sein, beide Eingänge 51 , 52 von den Ausgängen

53, 54 abzutrennen und auch den ersten Ausgang 53 vom zweiten Ausgang 54 abzukoppeln. Nicht vorgesehen ist jedoch, sowohl den ersten Eingang 51 mit dem zweiten Eingang 52 zu verbinden. Figur 7 zeigt eine mögliche schaltungstechnische Umsetzung der zweiten

Ausführungsform der Koppeleinheit 50, bei der ein erster, ein zweiter und ein dritter Schalter 55, 56 und 57 vorgesehen sind. Der erste Schalter 55 ist zwischen den ersten Eingang 51 und den ersten Ausgang 53 geschaltet, der zweite Schalter 56 ist zwischen den zweiten Eingang 52 und den zweiten Ausgang 54 und der dritte Schalter 57 zwischen den ersten Ausgang 53 und den zweiten Ausgang 54 geschaltet. Diese Ausführungsform bietet ebenfalls den Vorteil, dass die Schalter 55, 56 und 57 einfach als Halbleiterschalter wie z. B. MOSFETs oder IGBTs verwirklicht werden können. Halbleiterschalter haben den Vorteil eines günstigen Preises und einer hohen Schaltgeschwindigkeit, so dass die Koppeleinheit 50 innerhalb einer geringen Zeit auf ein Steuersignal beziehungsweise eine Änderung des Steuersignals reagieren kann.

Die Figur 8 zeigt eine Ausführungsform eines Batteriemoduls 60 mit der zweiten Ausführungsform der Koppeleinheit 50. Eine Mehrzahl von Batteriezellen 11 ist zwischen die Eingänge einer Koppeleinheit 50 in Serie geschaltet. Auch diese Ausführungsform des Batteriemoduls 60 ist nicht auf eine solche Serienschaltung von Batteriezellen 1 1 beschränkt, es kann wiederum auch nur eine einzelne Batteriezelle 1 1 vorgesehen sein oder aber eine Parallelschaltung oder gemischt-seriell-parallele Schaltung von Batteriezellen 1 1. Der erste Ausgang der Koppeleinheit 50 ist mit einem ersten Terminal 61 und der zweite Ausgang der Koppeleinheit 40 ist mit einem zweiten Terminal 62 verbunden. Das

Batteriemodul 60 bietet gegenüber dem Batteriemodul 40 der Figuren 5A und 5B den Vorteil, dass die Batteriezellen 11 durch die Koppeleinheit 50 von der restlichen Batterie beidseitig abgekoppelt werden können, was einen gefahrlosen Austausch im laufenden Betrieb ermöglicht, da an keinem Pol der Batteriezellen 1 1 die gefährliche hohe Summenspannung der restlichen Batteriemodule der Batterie anliegt.

Figur 9 zeigt eine Ausführungsform der Batterie des erfindungsgemäßen

Batteriesystems. Die Batterie weist einen Batteriemodulstrang 70 mit einer Mehrzahl von Batteriemodulen 40 oder 60 auf, wobei vorzugsweise jedes Batteriemodul 40 oder 60 dieselbe Anzahl von Batteriezellen 1 1 in identischer Weise verschaltet enthält. Generell kann der Batteriemodulstrang 70 jede Zahl von Batteriemodulen 40 oder 60 größer 1 enthalten. Auch können an den Polen des Batteriemodulstranges 70 zusätzlich Lade- und Trenneinrichtungen und Trenneinrichtungen wie bei Figur 2 vorgesehen sein, wenn

Sicherheitsbestimmungen dies erfordern. Allerdings sind solche

Trenneinrichtungen erfindungsgemäß nicht notwendig, weil eine Abkopplung der Batteriezellen 11 von den Batterieanschlüssen durch die in den Batteriemodulen 40 oder 60 enthaltenen Koppeleinheiten 30 oder 50 erfolgen kann. Die Erfindung besitzt außer den bereits genannten Vorteilen den weiteren Vorteil, dass sie sehr einfach modular aus einzelnen Batteriemodulen mit integrierter Koppeleinheit aufgebaut werden kann. Dadurch wird die Verwendung von Gleichteilen (Baukastenprinzip) möglich.