Batterie mit einer Mehrzahl von unabhängigen Batteriezellsträngen

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie mit einer Mehrzahl von unabhängigen Batteriezellsträngen und ein elektrisches Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterie.

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 stellbaren 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 parallgeschalteten Batteriezellen kommen kann.

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 Fig. 1 dargestellt. Eine Batterie 10 ist an einen Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen, welcher durch einen Kondensator 1 1 gepuffert wird. An den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen ist ein Pulswechsel- richter 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 1 1 muss groß genug sein, um die Spannung im Gleichspannungszwi- schenkreis 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 Raumbe- darf realisiert werden.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird daher eine Batterie mit einer Mehrzahl von Batteriezellsträngen, von denen jeder eine Mehrzahl von zwischen einen jeweiligen ersten Pol und einen jeweiligen zweiten Pol seriengeschalteten Batteriezellen enthält, eingeführt.

Die Batterie der Erfindung besitzt den Vorteil, dass die Gesamtkapazität der Batterie auf voneinander unabhängige Batteriezellstränge verteilt wird, wodurch es nicht mehr zu Ausgleichsströmen zwischen den Batteriezellen und Batteriezellsträngen kommt. Wird eine solche Batterie an einen Pulswechselrichter angeschlossen, der eine entsprechende Anzahl von Paaren von Eingängen hat, wie die Batterie Batteriezellstränge hat, kann die erforderliche Kapazität des jeweils an den Paaren von Eingängen des Pulswechselrichters anzuschließenden Pufferkondensatoren reduziert werden. Für bestimmte Anwendungen und Dimensionierungen können die Pufferkondensatoren unter Umständen vollständig entfallen.

Bevorzugt umfasst die Batteriegenau drei Batteriezellstränge. Eine solche Batterie ist besonders geeignet für den Antrieb von Elektromotoren, welche üblicherweise drei phasenverschobene Sinusspannungen für den Betrieb voraussetzen.

Jeder erste Pol der Mehrzahl von Batteriezellsträngen kann mit einem jeweiligen ersten Batterieterminal leitend verbunden sein. Die jeweiligen ersten Batterieter- minals erlauben den Anschluss der Batterie an einen Pulswechselrichter mit entsprechend vielen Paaren von Eingängen.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung können die zweiten Pole der Batteriezellstränge miteinander leitend verbunden sein. Die miteinander verbundenen zweiten Pole stellen so ein Bezugspotential dar, welches beispielsweise mit der Fahrzeugmasse verbunden werden kann, wofür die zweiten Pole der Batteriezellstränge mit einem zweiten Batterieterminal leitend verbunden sein können. Alternativ kann jeder zweite Pol der Mehrzahl von Batteriezellsträngen mit einem jeweiligen zweiten Batterieterminal leitend verbunden sein.

Die ersten Pole der Mehrzahl der Batteriezellstränge können positive Batteriepole und die zweiten Pole der Mehrzahl der Batteriezellstränge negative Batteriepole sein.

Bevorzugt sind die Batteriezellen Lithium-Ionen-Batteriezellen. Lithium-Ionen- Batteriezellen besitzen den Vorteil einer hohen Zellspannung und einer besonders hohen Kapazität pro Volumen.

Die Batterie kann ein Batteriegehäuse aufweisen, in dem die Mehrzahl von Batteriezellsträngen angeordnet ist.

Ein zweiter Erfindungsaspekt betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeuges und einer mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen Batterie gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein elektrisches Antriebssystem gemäß dem Stand der Technik,

Figur 2 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, Figur 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, und

Figur 4 ein elektrisches Antriebssystem mit einer erfindungsgemäßen Batterie.

Ausführungsformen der Erfindung

Figur 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Batterie 20 des ersten Ausführungsbeispiels weist drei Batteriezellstränge 21 -1 , 21 -2 und 21 -3 auf, welche jeweils dieselbe Anzahl von in Serie geschalteten Batteriezellen aufweisen. Da kein Batteriezellstrang 21 -1 , 21 -2, 21 -3 eine Parallelschaltung von Batteriezellen aufweist, kann es trotz einer hohen Gesamtkapazität der Batterie 20, die dem Dreifachen einer einzelnen Serienschaltung von Batteriezellen entspricht, nicht zu Ausgleichsströmen zwischen parallelgeschalteten Batteriezellen kommen. Jeder der Batteriezellstränge 21 -1 , 21 -2, 21 -3 der Batterie 20 weist jeweils ein positives Batterieterminal 22-1 , 22-2 beziehungsweise 22-3 und jeweils ein negatives Batterieterminal 23-1 , 23-2 beziehungsweise 23-3 auf.

Figur 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Batterie 30 ent- spricht im Wesentlichen der Batterie 20 und weist wie diese drei Batteriezellstränge 31 -1 , 31 -2 und 31 -3 auf. Jeder der Batteriezellstränge besitzt ein jeweiliges positives Batterieterminal 32-1 , 32-3 beziehungsweise 32-3. Die negativen Pole der Batteriezellstränge 31 -1 , 31 -2 und 31 -3 sind beim zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung miteinander leitend verbunden, weshalb auch nur ein ne- gatives Batterieterminal 33 vorgesehen ist.

Figur 4 zeigt ein elektrisches Antriebssystem mit einer erfindungsgemäßen Batterie 20. Ein Pulswechselrichter 42 ist direkt, d.h. ohne Anschluss eines oder mehrere Kondensatoren an seinen Eingängen, mit den drei Paaren von Batterieter- minals der Batterie 20 verbunden. Der Pulswechselrichter 42 besitzt für jeden

Schaltpfad mit jeweils zwei Halbleiterventilen und zwei Dioden ein eigenes Paar von Eingängen, welche mit jeweils einem der drei Paare von Batterieterminals der Batterie 20 verbunden sind. Dadurch entfällt der Gleichspannungszwischenkreis beziehungsweise es werden drei individuelle Gleichspannungszwischen- kreise vorgesehen. Aufgrund der geringeren Leistung, die jeweils von den einzelnen Schaltpfaden des Pulswechselrichters 42 der Batterie und damit dem Gleichspannungszwischenkreis entnommen wird, kann die Pufferung der Gleichspannungszwischenkreise durch verhältnismäßig kleine Kondensatoren vorgenommen werden oder - wie im Beispiel der Fig. 4 - entfallen. Die drei Schaltpfade des Pulswechselrichters 42 sind ausgangsseitig mit den drei Phasenan- Schlüssen des elektrischen Antriebsmotors 13 verbunden.