DE102012212556A1

DE102012212556A1 - Batterie mit einer Mehrzahl von Batteriemodulen und Verfahren zur Erzeugung einer stufenweise einstellbaren Batteriespannung

Info

Publication number: DE102012212556A1
Application number: DE201210212556
Authority: DE
Inventors: Stefan Butzmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2012-07-18
Filing date: 2012-07-18
Publication date: 2014-01-23

Abstract

Es wird eine Batterie mit einer Mehrzahl von in einem Batteriemodulstrang angeordneten Batteriemodulen (50, 60) offenbart, die jeweils mehrere Batteriezellen (23), ein erstes Batteriemodulterminal (31), ein zweites Batteriemodulterminal (32) und eine mehrere Schalter (61, 62, 63, 64) aufweisende Koppelschaltung (51) umfassen. Jedes Batteriemodul (50, 60) kann durch Ansteuerung von einem oder mehreren Schaltern (61, 62, 63, 64) seiner jeweiligen Koppelschaltung (51) wahlweise dem Batteriemodulstrang zugeschaltet werden, so dass es über seine Batteriemodulterminals (31, 32) in dem Batteriemodulstrang in Serie geschaltet ist, oder aus dem Batteriemodulstrang entkoppelt werden, so dass es über seine Batteriemodulterminals (31, 32) leitend überbrückt wird. Dabei ist zumindest eines der Batteriemodule (50, 60) als mehrstufiges Batteriemodul (50, 60) mit einer mittels seiner Koppelschaltung (51) auf einen Bruchteil der vollen Batteriemodulspannung schaltbaren Batteriemodulspannung ausgebildet. Ferner wird ein entsprechendes Verfahren zur Erzeugung einer stufenweise einstellbaren Batteriespannung offenbart.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie mit einer Mehrzahl von in einem Batteriemodulstrang angeordneten Batteriemodulen, die jeweils mehrere Batteriezellen, ein erstes Batteriemodulterminal, ein zweites Batteriemodulterminal und eine mehrere Schalter aufweisende Koppelschaltung umfassen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Batterie, bei der jedes Batteriemodul durch Ansteuerung von einem oder mehreren Schaltern seiner jeweiligen Koppelschaltung wahlweise dem Batteriemodulstrang zugeschaltet werden kann, so dass es über seine Batteriemodulterminals in dem Batteriemodulstrang in Serie geschaltet ist, oder aus dem Batteriemodulstrang entkoppelt werden kann, so dass es über seine Batteriemodulterminals leitend überbrückt wird. Außerdem betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zur Erzeugung einer stufenweise einstellbaren Batteriespannung.
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.
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 gebildet 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.
Aus früheren Patentanmeldungen der Anmelderin sind Batterien bekannt, bei denen die Batteriemodule modifiziert werden und eine Koppelschaltung aufweisen, mit denen die Batteriemodule wahlweise dem Batteriemodulstrang zugeschaltet werden oder aus dem Batteriemodulstrang entkoppelt werden können. In der 2 ist ein Beispiel einer solchen Koppelschaltung eines Batteriemoduls gezeigt, die als Halbbrücke ausgebildet ist. Durch die verschiedenen Schalterstellungen der Schalter 21, 22 können die Batteriezellen 23 mit den Ausgängen des Batteriemoduls verbunden oder entkoppelt werden.
In der 3 ist eine alternative Ausgestaltung der Koppelschaltung dargestellt, die als Vollbrücke ausgebildet ist und eine Serienschaltung von Batteriezellen 23 mit einem ersten Batteriemodulanschluss 31 und einem zweiten Batteriemodulanschluss 32 verbindet. Die Koppelschaltung weist vier Schalter 33 bis 36 auf, von denen ein Paar von Schaltern 33, 34 einen ersten Batteriemodulanschluss 31 je nach Schalterstellung entweder mit dem negativen oder mit dem positiven Ausgang der Serienschaltung von Batteriezellen 23 koppeln kann, wobei ein anderes Paar von Schaltern 35, 36 den zweiten Batteriemodulanschluss entsprechend umgekehrt mit dem verbleibenden positiven beziehungsweise negativen Ausgang koppeln kann. Bei Öffnung von allen Schaltern 33 bis 36 wird das Batteriemodul beidseitig aus einem Batteriemodulstrang entkoppelt.
Es werden typischerweise mehrere solcher Batteriemodule in Serie geschaltet. Dabei können durch den modularen Aufbau von Batterien durch geschaltete Batteriemodule mit Halbbrücken und/oder Vollbrücken einstellbare Ausgangsspannungen der Batterien erreicht werden. In der 4 ist eine Batterie 40 gezeigt, bei der die Batteriezellen 23 in Batteriemodulen 41 angeordnet sind, die jeweils eine Koppelschaltung nach 2 aufweisen.
Bei einer Weiterbildung einer modularen Batterie, deren Batteriemodule mit den Koppelschaltungen ausgestattet sind, zu einem Batteriedirektinverter mit mehreren modularen Batteriesträngen wird ermöglicht, auch ohne zusätzliche Schaltung eines Wechselrichters mehrere zueinander phasenversetzte Wechselspannung zu erzeugen, beispielsweise um einen Dreiphasen-Elektromotor zu versorgen.
Jedoch hängt die Diskretisierung der Batteriespannung von der Höhe der Batteriemodulspannung ab. Dabei ist es einerseits wünschenswert, die Diskretisierungsstufen möglichst klein zu halten, andererseits bedeuten kleine Batteriemodulspannungen bei gegebener maximaler Batteriespannung aber auch eine höhere Anzahl an Batteriemodulen, was mit entsprechend höherem Aufwand beispielsweise hinsichtlich Kommunikation, Kühlung, Steckeranordnung usw. verbunden ist.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Batterie mit einer Mehrzahl von in einem Batteriemodulstrang angeordneten Batteriemodulen zur Verfügung gestellt, die jeweils mehrere Batteriezellen, ein erstes Batteriemodulterminal, ein zweites Batteriemodulterminal und eine mehrere Schalter aufweisende Koppelschaltung umfassen. Dabei kann jedes Batteriemodul durch Ansteuerung von einem oder mehreren Schaltern seiner jeweiligen Koppelschaltung wahlweise dem Batteriemodulstrang zugeschaltet werden, so dass es über seine Batteriemodulterminals in dem Batteriemodulstrang in Serie geschaltet ist, oder aus dem Batteriemodulstrang entkoppelt werden, so dass es über seine Batteriemodulterminals leitend überbrückt wird. Ferner ist zumindest eines der Batteriemodule als mehrstufiges Batteriemodul mit einer mittels seiner Koppelschaltung auf einen Bruchteil der vollen Batteriemodulspannung schaltbaren Batteriemodulspannung ausgebildet.
Ferner wird ein Verfahren zur Erzeugung einer stufenweise einstellbaren Batteriespannung zur Verfügung gestellt, bei dem eine modulare, mit Koppelschaltungen ausgestattete Batterie verwendet wird. Das heißt, die Batterie weist eine Mehrzahl von in einem Batteriemodulstrang angeordneten Batteriemodulen auf, die jeweils mehrere Batteriezellen, ein erstes Batteriemodulterminal, ein zweites Batteriemodulterminal und eine mehrere Schalter aufweisende Koppelschaltung umfassen, wobei jedes Batteriemodul durch Ansteuerung von einem oder mehreren Schaltern der jeweiligen Koppelschaltung wahlweise dem Batteriemodulstrang zugeschaltet werden kann, so dass es über seine Batteriemodulterminals in dem Batteriemodulstrang in Serie geschaltet ist, oder aus dem Batteriemodulstrang entkoppelt werden kann, so dass es über seine Batteriemodulterminals leitend überbrückt wird. Dabei wird verfahrensgemäß zumindest ein als ein mehrstufiges Batteriemodul ausgestaltetes Batteriemodul dazu angesteuert, eine Ausgangsspannung zu liefern, die einem Bruchteil der vollen Batteriemodulspannung des mehrstufigen Batteriemoduls entspricht.
Ein Vorteil der Erfindung ist, dass eine feinere Einstellung der Batteriespannung beziehungsweise kleinere Diskretisierungsstufen ermöglicht werden. Dabei erlaubt bereits lediglich ein erfindungsgemäß modifiziertes Batteriemodul bei entsprechender Ansteuerung die Diskretisierung der gesamten Batteriespannung. Somit ist es also möglich, Batteriemodule mit herkömmlichen Koppelschaltungen nach den 2 und 3 und erfindungsgemäße Batteriemodule miteinander zu mischen. Bei der Erfindung werden mindestens ein Batteriemodul in einem Batteriemodulstrang und maximal alle Batteriemodule in dem Batteriemodulstrang als mehrstufige Batteriemodule gemäß der Erfindung ausgeführt.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung umfassen die Koppelschaltungen der mehrstufigen Batteriemodule jeweils einen mit dem ersten Batteriemodulterminal gekoppelten ersten Ausgang, einen mit dem zweiten Batteriemodulterminal gekoppelten zweiten Ausgang und drei oder mehr Eingänge. Dabei haben die mehrstufigen Batteriemodule jeweils eine in Serie angeordnete Anzahl von Batteriezellen, wobei jeder Eingang einer Koppelschaltung jeweils mit einem unterschiedlichen Batteriezellenanschluss beziehungsweise Paar von Batteriezellenanschlüssen verbunden ist derart, dass die Anzahl der in Serie angeordneten Batteriezellen eine gleichmäßige Aufteilung in mehrere jeweils zwischen einem unterschiedlichen Paar von Eingängen geschalteten Teilanzahlen von Batteriezellen bildet.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Koppelschaltungen der mehrstufigen Batteriemodule jeweils dazu ausgebildet, durch Ansteuerung ihrer jeweiligen Schalter wahlweise eine oder mehrere der Teilanzahlen der jeweiligen in Serie angeordneten Batteriezellen zwischen das erste Batteriemodulterminal und das zweite Batteriemodulterminal zu schalten und die restlichen Batteriezellen der in Serie geschalteten Batteriezellen jeweils von dem ersten Batteriemodulterminal und/oder dem zweiten Batteriemodulterminal zu entkoppeln.
Dadurch ergibt sich eine besonders hohe Flexibilität, insbesondere wenn jede der Batteriezellengruppen beziehungsweise Teilanzahlen von Batteriezellen separat ansprechbar sind, und es kann auf einfache Weise eine gleichmäßige Entladung oder Aufladung aller Batteriezellen gewährleistet werden. Dies wird bevorzugt durch eine entsprechende Batterieüberwachungseinheit oder Steuerungsschaltung überwacht.
Nach einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist zumindest eine der Koppelschaltungen dazu ausgebildet, zumindest eine der Teilanzahlen der Batteriezellen wahlweise mit positiver Polarität oder negativer Polarität zwischen das erste Batteriemodulterminal und das zweite Batteriemodulterminal zu schalten. Dadurch kann auch eine höhere oder bis auf die doppelte Spannung erhöhte Amplitude der einstellbaren Batterieausgangsspannung erzeugt werden.
Es wird bevorzugt, die Koppelschaltungen gemäß einer Multilevel-Konverter-Topologie anzuordnen. Besonders bevorzugt wird dabei eine Dioden-geklemmte Multilevel-Konverter-Topologie verwendet.
Ein Vorteil davon ist, dass auf diese Weise eine besonders robuste Spannungserzeugung in den Batteriemodulen erreicht werden kann. Auch können durch die Dioden unerwünschte Stromflüsse insbesondere bei fehlerhaften Polungen vermieden werden.
Gemäß einer besonders einfachen Ausführungsform der Erfindung ist bei zumindest einer der Koppelschaltungen eine Topologie vorgesehen, die an die Topologie eines dreistufigen Wandlers angelehnt ist. Dabei weist die Koppelschaltung eine Serienschaltung aus vier Schaltern auf, deren ersten beiden Schalter parallel zu der betreffenden Serienschaltung von Batteriezellen und deren letzten beiden Schalter in Serie zu der Serienschaltung von Batteriezellen zwischen dem ersten Batteriemodulterminal und dem zweiten Batteriemodulterminal geschaltet sind. Ferner umfasst bei dieser Ausführungsform die Koppelschaltung eine erste Diode, deren Kathode mit einem zwischen den ersten beiden Schaltern angeordneten Anschluss verbunden ist und deren Anode mit einem mittleren Eingang der Koppelschaltung verbunden ist, und eine zweite Diode, deren Anode mit einem zwischen den letzten beiden Schaltern angeordneten Anschluss verbunden ist und deren Kathode mit dem mittleren Eingang der Koppelschaltung verbunden ist.
Dadurch wird auf eine besonders einfache Weise ein dreistufiges Batteriemodul zur Verfügung gestellt, das mit einer Zwischenstufe auf die halbe Batteriemodulspannung geschaltet werden kann.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Batterie sind mehrere Batteriestränge in der Batterie vorgesehen, beispielsweise drei Batteriestränge, die mit den Anschlüssen eines Dreiphasen-Elektromotors verbindbar sind. Jeder der Batteriemodulstränge weist dabei zumindest ein mehrstufiges Batteriemodul gemäß der Erfindung auf.
Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Batterie als Batteriedirektinverter betrieben, so dass die Batteriestränge zueinander phasenversetzte Wechselspannungen erzeugen, welche Spannungsstufen aufweisen, deren Feinheit durch eine entsprechende Ansteuerung der mehrstufigen Batteriemodule eingestellt wird.
Die erfindungsgemäße Batterie ist vorzugsweise eine Lithium-Ionen-Batterie.
Erfindungsgemäß wird auch ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, zur Verfügung gestellt, das die erfindungsgemäße Batterie aufweist, wobei die Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Prinzipschaltbild eines üblichen elektrischen Antriebssystems mit einer Batterie gemäß dem Stand der Technik, die an einem Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen ist,
2 eine Koppelschaltung für ein Batteriemodul gemäß dem Stand der Technik, die als Halbbrücke ausgeführt ist,
3 eine Koppelschaltung für ein Batteriemodul gemäß dem Stand der Technik, die als Vollbrücke ausgeführt ist,
4 eine Batterie mit einem Batteriemodulstrang aus koppelbaren Batteriemodulen gemäß dem Stand der Technik,
5 ein Prinzipschaltbild eines Batteriemoduls, bei dem eine Koppelschaltung zwischen den Batteriezellen und den Batteriemodulterminals angeordnet ist, nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung, und
6 ein Prinzipschaltbild eines Batteriemoduls, bei dem eine Koppelschaltung zwischen den Batteriezellen und den Batteriemodulterminals angeordnet ist, wobei die Koppelschaltung eine Dreistufen-Wandler-Topologie aufweist, nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
In der 5 ist ein Prinzipschaltbild eines Batteriemoduls 50 nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bei dem eine Koppelschaltung 51 zwischen den Batteriezellen 23 und den Batteriemodulterminals 31, 32 angeordnet ist. Die Koppelschaltung 51 ist derart ausgestaltet, dass das Batteriemodul 50 ein mehrstufiges Batteriemodul bildet, das eine auf einen Bruchteil der vollen Batteriemodulspannung schaltbare Batteriemodulspannung aufweist. Die Koppelschaltung 51 weist Schalter (nicht gezeigt) und bevorzugt auch Dioden (nicht gezeigt) auf, mit denen wahlweise eine Teilanzahl der Batteriezellen 23, alle Batteriezellen 23, oder keine Batteriezelle 23 angesprochen werden kann. Wie in der 5 gezeigt, wird die Gesamtanzahl der Batteriezellen 23 durch Kontaktierung mit Eingängen 52 der Koppelschaltung 51 in Gruppen eingeteilt. Die Eingänge 52 der Koppelschaltung 51 sind dazu jeweils mit einem unterschiedlichen Batteriezellenanschluss 55 beziehungsweise, im Fall der mittleren Eingänge, mit unterschiedlichen Batteriezellenanschlüssen 55 in dem Batteriemodul 50 gekoppelt. Es werden durch Ansteuerung der Koppelschaltung 51 entweder eine, mehrere oder alle Gruppen beziehungsweise Teilanzahlen von Batteriezellen angesprochen, je nachdem welche Abstufung der Batteriespannung aktuell zu erzeugen ist. Dazu wird die Ansteuerungsschaltung (nicht gezeigt) der Koppelschaltung 51 hinreichend schnell getaktet. Somit kann jetzt eine kleinere Schrittweite für die Batterieausgangsspannung eingestellt werden, als dies einer vollen Batteriemodulspannung entspricht, bei der alle Batteriezellen 23 durchgeschaltet sind. Das Batteriemodul kann noch andere Komponenten aufweisen, wie beispielsweise eine Kühlung, oder einen Spannungssensor, die der Übersicht halber in der Zeichnung nicht dargestellt sind.
In der 6 ist ein Prinzipschaltbild eines Batteriemoduls 60 nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bei dem eine Koppelschaltung zwischen den Batteriezellen und den Batteriemodulterminals angeordnet ist. Nach der in 6 gezeigten beispielhaften Ausführungsform weist die Koppelschaltung eine Dreistufen-Wandler-Topologie auf. Dadurch wird eine einfache und gleichzeitig robuste Implementierung der erfindungsgemäßen Koppeleinheit mit drei Batteriemodulspannungsstufen zur Verfügung gestellt. Gemäß der gezeigten Dreistufen-Wandler-Topologie weist die Koppeleinheit des Batteriemoduls 60 eine Serienschaltung aus vier Schaltern 61, 62, 63, 64 auf, deren ersten beiden Schalter 61, 62 in Serie zu der betreffenden Serienschaltung von Batteriezellen und deren letzten beiden Schalter 63, 64 parallel zu der Serienschaltung von Batteriezellen 23 zwischen dem ersten Batteriemodulterminal 31 und dem zweiten Batteriemodulterminal 32 geschaltet sind.
Außerdem umfasst die Koppelschaltung gemäß 6 eine erste Diode 65, deren Kathode mit einem zwischen den ersten beiden Schaltern 61, 62 angeordneten Anschluss verbunden ist und deren Anode mit einem mittleren Eingang der Koppelschaltung 51 verbunden ist, und eine zweite Diode 66, deren Anode mit einem zwischen den letzten beiden Schaltern 63, 64 angeordneten Anschluss verbunden ist und deren Kathode mit dem mittleren Eingang der Koppelschaltung 51 verbunden ist.
Durch Schließen der Schalter 63 und 64 können die Batteriezellen 23 leitend über die Batteriemodulterminals 31, 32 überbrückt werden, so dass das Batteriemodul aktuell keine Spannung liefert. Durch Öffnen der Schalter 63, 64 und Schließen der Schalter 61, 62 werden sämtliche Batteriemodule 23 durchgeschaltet. Durch Öffnen der Schalter 61 und 64 und Schließen des Schalters 62 wird das Batteriemodul derart geschaltet, dass es nominell die halbe Batteriemodulspannung liefert.
Ein Fachmann erkennt, dass die Erfindung nicht auf die gemäß 6 diskutierte Multilevel-Konverter-Topologie beschränkt ist. Stattdessen kann auch eine andere geeignete Verschaltung innerhalb eines Batteriemoduls gewählt werden, die denselben Zweck erfüllt. So dienen die 5 und 6 lediglich zur Veranschaulichung des Prinzips der Erfindung. Bei einer Batterie, bei der die Erfindung eingesetzt wird, wird pro Batteriestrang vorzugsweise mindestens eins der mehrstufigen Batteriemodule verwendet, wobei sich in Verbindung mit der entsprechenden Ansteuerungssequenz eine verfeinerte Abstufung der Batteriespannung für jedes Niveau der Batteriespannung ergibt. Zur weiteren Verfeinerung der Diskretisierung weisen andere Ausführungsformen der Erfindung Batteriemodule mit komplexeren Koppelschaltungen auf, wie beispielsweise Multilevel-Konverter-Strukturen fünfter oder höherer Ordnung.

Claims

Batterie mit einer Mehrzahl von in einem Batteriemodulstrang angeordneten Batteriemodulen (50, 60), die jeweils mehrere Batteriezellen (23), ein erstes Batteriemodulterminal (31), ein zweites Batteriemodulterminal (32) und eine mehrere Schalter (61, 62, 63, 64) aufweisende Koppelschaltung (51) umfassen, wobei jedes Batteriemodul (50, 60) durch Ansteuerung von einem oder mehreren Schaltern (61, 62, 63, 64) seiner jeweiligen Koppelschaltung (51) wahlweise dem Batteriemodulstrang zugeschaltet werden kann, so dass es über seine Batteriemodulterminals (31, 32) in dem Batteriemodulstrang in Serie geschaltet ist oder aus dem Batteriemodulstrang entkoppelt werden kann, so dass es über seine Batteriemodulterminals (31, 32) leitend überbrückt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Batteriemodule (50, 60) als mehrstufiges Batteriemodul (50, 60) mit einer mittels seiner Koppelschaltung (51) auf einen Bruchteil der vollen Batteriemodulspannung schaltbaren Batteriemodulspannung ausgebildet ist.
Batterie nach Anspruch 1, wobei die Koppelschaltungen (51) der mehrstufigen Batteriemodule (50, 60) jeweils einen mit dem ersten Batteriemodulterminal (31) gekoppelten ersten Ausgang (53), einen mit dem zweiten Batteriemodulterminal (32) gekoppelten zweiten Ausgang (54) und drei oder mehr Eingänge (52) umfassen und wobei die mehrstufigen Batteriemodule (50, 60) ferner jeweils eine in Serie angeordnete Anzahl von Batteriezellen (23) umfassen, wobei jeder Eingang (52) einer Koppelschaltung (51) jeweils mit einem unterschiedlichen Batteriezellenanschluss (55) beziehungsweise Paar von Batteriezellenanschlüssen (55) verbunden ist derart, dass die Anzahl der in Serie angeordneten Batteriezellen (23) eine gleichmäßige Aufteilung in mehrere jeweils zwischen einem unterschiedlichen Paar von Eingängen (52) geschalteten Teilanzahlen von Batteriezellen (23) bildet.
Batterie nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Koppelschaltungen (51) der mehrstufigen Batteriemodule (50, 60) jeweils dazu ausgebildet sind, durch Ansteuerung ihrer jeweiligen Schalter (61, 62, 63, 64) wahlweise eine oder mehrere der Teilanzahlen der jeweiligen in Serie angeordneten Batteriezellen (23) zwischen das erste Batteriemodulterminal (31) und das zweite Batteriemodulterminal (32) zu schalten und die restlichen Batteriezellen (23) der in Serie geschalteten Batteriezellen (23) jeweils von dem ersten Batteriemodulterminal (31) und/oder dem zweiten Batteriemodulterminal (32) zu entkoppeln.
Batterie nach Anspruch 3, wobei zumindest eine der Koppelschaltungen (51) ferner dazu ausgebildet ist, zumindest eine der Teilanzahlen der Batteriezellen (23) wahlweise mit positiver Polarität oder negativer Polarität zwischen das erste Batteriemodulterminal (31) und das zweite Batteriemodulterminal (32) zu schalten.
Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eine der Koppelschaltungen (51) gemäß einer Multilevel-Konverter-Topologie, insbesondere einer Dioden-geklemmten Multilevel-Konverter-Topologie, ausgebildet ist.
Batterie nach Anspruch 5, wobei zumindest eine der Koppelschaltungen (51) eine Serienschaltung aus vier Schaltern (61, 62, 63, 64), deren ersten beiden Schalter (61, 62) in Serie zu der betreffenden Serienschaltung von Batteriezellen (23) und deren letzten beiden Schalter (63, 64) parallel zu der Serienschaltung von Batteriezellen (23) zwischen dem ersten Batteriemodulterminal (31) und dem zweiten Batteriemodulterminal (32) geschaltet sind, aufweist, und wobei die zumindest eine der Koppelschaltungen (51) zur Implementierung einer Dreistufen-Wandler-Topologie ferner eine erste Diode (65), deren Kathode mit einem zwischen den ersten beiden Schaltern (61, 62) angeordneten Anschluss verbunden ist und deren Anode mit einem mittleren Eingang der Koppelschaltung (51) verbunden ist, und eine zweite Diode (66), deren Anode mit einem zwischen den letzten beiden Schaltern (63, 64) angeordneten Anschluss verbunden ist und deren Kathode mit dem mittleren Eingang der Koppelschaltung (51) verbunden ist, aufweist.
Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batterie mehrere Batteriestränge, beispielsweise drei Batteriestränge, die mit den Anschlüssen eines Dreiphasen-Elektromotors verbindbar sind, aufweist, wobei jeder Batteriemodulstrang ein oder mehrere mehrstufige Batteriemodule (50, 60) aufweist.
Verfahren zur Erzeugung einer stufenweise einstellbaren Batteriespannung, bei dem eine Batterie verwendet wird, die eine Mehrzahl von in einem Batteriemodulstrang angeordneten Batteriemodulen (50, 60) aufweist, die jeweils mehrere Batteriezellen (23), ein erstes Batteriemodulterminal (31), ein zweites Batteriemodulterminal (32), und eine mehrere Schalter (61, 62, 63, 64) aufweisende Koppelschaltung (51) umfassen, wobei jedes Batteriemodul (50, 60) durch Ansteuerung von einem oder mehreren Schaltern (61, 62, 63, 64) der jeweiligen Koppelschaltung (51) wahlweise dem Batteriemodulstrang zugeschaltet werden kann, so dass es über seine Batteriemodulterminals (31, 32) in dem Batteriemodulstrang in Serie geschaltet ist, oder aus dem Batteriemodulstrang entkoppelt werden kann, so dass es über seine Batteriemodulterminals (31, 32) leitend überbrückt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein als ein mehrstufiges Batteriemodul (50, 60) ausgestaltetes Batteriemodul (50, 60) dazu angesteuert wird, eine Ausgangsspannung zu liefern, die einem Bruchteil der vollen Batteriemodulspannung des mehrstufigen Batteriemoduls (50, 60) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 8, das mit einer Batterie mit mehreren Batteriesträngen nach Anspruch 7 durchgeführt wird, wobei die Batterie als Batteriedirektinverter betrieben wird, so dass die Batteriestränge zueinander phasenversetzte Wechselspannungen erzeugen, die Spannungsstufen aufweisen, deren Feinheit durch die eine entsprechende Ansteuerung der mehrstufigen Batteriemodule (50, 60) eingestellt wird.
Kraftfahrzeug, insbesondere Elektro- oder Hybridfahrzeug, das eine Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist, wobei die Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.