DE102013214199A1 - battery circuit - Google Patents

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DE102013214199A1 DE102013214199.8A DE102013214199A DE102013214199A1 DE 102013214199 A1 DE102013214199 A1 DE 102013214199A1 DE 102013214199 A DE102013214199 A DE 102013214199A DE 102013214199 A1 DE102013214199 A1 DE 102013214199A1
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Abstract

Eine Batterie zur Bereitstellung eines Batteriestromes umfasst einen Batteriemodulstrang aus mehreren Batteriemodulen (12a–f) und eine Schalteinheit (16a) mit wenigstens einem ersten und einem zweiten Schaltzustand, wobei im ersten Schaltzustand eine erste Untermenge (12a–d) an Batteriemodulen des Batteriemodulstranges in Reihe geschaltet sind, um an der Bereitstellung des Batteriestromes (I) teilzunehmen, und wobei im zweiten Schaltzustand eine zweite Untermenge (12a–f) an Batteriemodulen des Batteriemodulstranges in Reihe geschaltet sind, um an der Bereitstellung des Batteriestromes (I) teilzunehmen. Die Batterie umfasst ferner eine Spannungsermittlungseinheit (14) zur Ermittlung der elektrischen Spannung der an der Bereitstellung des Batteriestromes beteiligten Batteriemodule (12a–f) und eine Steuereinheit (22), welche dazu eingerichtet ist, die Schalteinheit (16a) in Abhängigkeit von der ermittelten elektrischen Spannung anzusteuern.A battery for providing a battery current comprises a battery module string of a plurality of battery modules (12a-f) and a switching unit (16a) with at least a first and a second switching state, wherein in the first switching state, a first subset (12a-d) of battery modules of the battery module string in series are switched to participate in the provision of the battery current (I), and wherein in the second switching state, a second subset (12a-f) are connected in series to battery modules of the battery module string to participate in the provision of the battery current (I). The battery further comprises a voltage determination unit (14) for determining the electrical voltage of the battery modules (12a-f) involved in the provision of the battery current and a control unit (22), which is adapted to the switching unit (16a) in dependence on the determined electrical To control voltage.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie, beispielsweise eine Hochvoltbatterie, und ein Verfahren zur Steuerung einer Batterie. The invention relates to a battery, for example a high-voltage battery, and a method for controlling a battery.

Batterien, insbesondere Hochvoltbatterien, kommen beispielsweise in Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen zum Einsatz. Eine Batterie für ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug umfasst eine Anzahl von Batteriezellen. Diese Batteriezellen können verschiedenen Batterietechnologien entsprechen, wie zum Beispiel einer Lithium-Ionen-Technologie, einer Nickel-Metallhydrid-Technologie, einer Bleibatterie-Technologie, oder einer anderen Batterietechnologie. Batteries, in particular high-voltage batteries, are used, for example, in electric vehicles and hybrid vehicles. A battery for an electric vehicle or hybrid vehicle includes a number of battery cells. These battery cells may conform to various battery technologies, such as lithium ion technology, nickel metal hydride technology, lead acid battery technology, or other battery technology.

Eine Hochvoltbatterie für ein Elektrofahrzeug beinhaltet eine große Anzahl von Batteriezellen, die üblicher Weise in Modulen angeordnet sind, um die Anforderungen des Fahrzeugs an Leistung und Reichweite zu erfüllen. Die einzelnen Batteriezellen bzw. Batteriemodule werden vorzugsweise elektrisch in Reihe geschaltet. Batteriezellen bzw. Batteriemodule können aber auch elektrisch parallel geschaltet sein. Der Reihenschaltung von Batteriezellen bzw. Batteriemodulen sind durch die Beschränkungen der Leistungselektronik Grenzen gesetzt. Derzeit liegt beispielsweise bei der Fahrzeug-Hochvoltinfrastruktur für Traktionsantriebe die Spannungsgrenze bei ca. 445 V. Geht man von einer Lithiumionentechnologie mit einer Zellspannung von 4.2 V aus, so sind derzeit Batteriestränge mit etwa 108 Zellen möglich. A high-voltage battery for an electric vehicle includes a large number of battery cells, which are usually arranged in modules to meet the vehicle's performance and range requirements. The individual battery cells or battery modules are preferably connected electrically in series. Battery cells or battery modules can also be connected in parallel electrically. The series connection of battery cells or battery modules are limited by the limitations of power electronics. Currently, for example, in the vehicle high-voltage infrastructure for traction drives, the voltage limit is approximately 445 V. Assuming a lithium ion technology with a cell voltage of 4.2 V, so are currently battery strings with about 108 cells possible.

Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2011 054146 A1 ist eine steuerbare Bypass-Schaltung für parallel geschaltete Batteriemodule oder Zellen bekannt, insbesondere eine Steuerschaltung, die dazu in der Lage ist, verbundene Batteriezellen oder Module, die Teil eines größeren Batteriesystems sind, zu umgehen und den Entladestrom und Ladestrom zu steuern. Dadurch kann ein Zellausfall oder ein drohender Zellausfall detektiert werden und die betroffene Zelle aus der Reihenschaltung der Zellen entfernt werden, so dass die Batterie normal ohne die betroffene Zelle weiterarbeiten kann. From the publication DE 10 2011 054146 A1 For example, a controllable by-pass circuit for parallel-connected battery modules or cells is known, in particular a control circuit which is able to bypass connected battery cells or modules which are part of a larger battery system and to control the discharge current and charging current. Thereby, a cell failure or a threatening cell failure can be detected and the affected cell can be removed from the series connection of the cells, so that the battery can continue to operate normally without the affected cell.

Die US 2009/0251100 A1 offenbart eine wiederaufladbare Batterieanordnung und eine Batteriesteuereinheit. Die Batterieanordnung umfasst mehrere Batteriemodule mit jeweiligen Modulsteuereinheiten, die von der Batteriesteuereinheit kontrolliert werden. Eine Modulsteuereinheit reguliert das Aufladen und Entladen des zugehörigen Batteriemoduls und ist in der Lage, defekte Batteriemodule aus dem Schaltkreis zu entfernen. Wird ein einzelnes Batteriemodul defekt, so trennt ein Bypass-Relay dieses defekte Batteriemodul vom Stromkreis. The US 2009/0251100 A1 discloses a rechargeable battery assembly and a battery control unit. The battery assembly includes a plurality of battery modules with respective module control units that are controlled by the battery control unit. A module control unit regulates the charging and discharging of the associated battery module and is able to remove defective battery modules from the circuit. If a single battery module is defective, a bypass relay disconnects this defective battery module from the circuit.

Die Offenlegungsschrift DE 10 2011 002 548 A1 offenbart einen Batteriemodulstrang mit Batteriemodulen, die dazu ausgebildet sind, untereinander ihre jeweiligen Betriebszustände zu vergleichen und auf Grundlage des Vergleichs eine Rangfolge zu bestimmen, mit welcher die Batteriemodule an einer Bereitstellung einer gewünschten Ausgangsspannung des Batteriemodulstrangs zu beteiligen sind. The publication DE 10 2011 002 548 A1 discloses a battery module string having battery modules configured to compare each other with their respective operating conditions and to determine based on the comparison a ranking with which the battery modules are to participate in providing a desired output voltage of the battery module string.

Die bekannten Batteriesysteme und Batteriesteuerungen ermöglichen es jedoch nicht, den Energieinhalt einer Batterie zu optimieren. The known battery systems and battery controllers, however, do not make it possible to optimize the energy content of a battery.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Batterie und ein Verfahren zur Steuerung einer Batterie bereitzustellen, welche die oben genannten Nachteile wenigstens teilweise überwinden. Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Batterie und durch das entsprechende Steuerverfahren gelöst, wie sie in den beigefügten Patentansprüchen definiert sind. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele. The object of the present invention is to provide a battery and a method for controlling a battery which at least partially overcome the abovementioned disadvantages. This object is achieved by the battery according to the invention and by the corresponding control method as defined in the attached patent claims. Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims and the following description of preferred embodiments.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in denen: Embodiments of the invention will be described by way of example and with reference to the accompanying drawings, in which:

1 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batterie mit Hauptbatterie und zuschaltbaren Batteriemodulen zeigt; 1 schematically shows an embodiment of a battery according to the invention with main battery and switchable battery modules;

2 schematisch eine Schalteinheit zeigt, die beispielhaft als analoger Schalter ausgebildet ist; 2 schematically shows a switching unit, which is exemplified as an analog switch;

3 schematisch eine Schalteinheit zeigt, die beispielhaft als Halbleiterschalter ausgebildet ist; 3 schematically shows a switching unit, which is exemplified as a semiconductor switch;

4 ein Ausführungsbeispiel für die Dimensionierung einer erfindungsgemäßen Batterie zeigt; 4 shows an embodiment for the dimensioning of a battery according to the invention;

5 ein beispielhaftes Diagramm zeigt, das schematisch den Verlauf der Batteriespannung bei veränderlichem Ladezustandswert (SoC) darstellt; und 5 shows an exemplary diagram which schematically illustrates the variation of the battery voltage at a variable state of charge value (SoC); and

6 schematisch ein beispielhaftes Verfahren zur Steuerung einer erfindungsmäßen Batterie zeigt. 6 schematically shows an exemplary method for controlling a battery according erfindungsmäßen.

In den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen werden Batterien für die Bereitstellung eines Batteriestromes beschrieben. Die Batterien können beispielsweise Lithiumionen-Batterien, Batterien aus Nickel-Metallhydrid-Zellen, oder beliebige andere Batterietypen sein. Die Batterien stellen einen Batteriestrom bereit, beispielsweise für die Versorgung eines Traktionsantriebs eines Elektro- oder Hybrid-Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie. Die beschriebenen Batterien können aber auch für andere Fahrzeugtypen benutzt werden, beispielsweise für Fahrräder, Motorroller, Motorräder, Elektroboote, Flugzeuge, Züge oder andere Fahrzeugtypen. In the embodiments described below batteries for the provision of a battery current are described. The batteries may be, for example, lithium ion batteries, nickel metal hydride cell batteries, or any other type of battery. The batteries provide a battery power ready, for example, for the supply of a traction drive of an electric or Hybrid motor vehicle with electrical energy. However, the described batteries can also be used for other types of vehicles, such as bicycles, scooters, motorcycles, electric boats, aircraft, trains or other types of vehicles.

Eine beispielhafte Batterie weist einen Batteriemodulstrang aus mehreren Batteriemodulen auf. Jedes Batteriemodul umfasst wenigstens eine Batteriezelle, im Falle einer Lithiumionen-Batterie beispielsweise Lithiumionenzellen. In einem Batteriemodul können mehrere Batteriezellen gepackt sein. Ein Batteriemodul kann beispielsweise zwölf in Reihe geschalteten Lithiumionenzellen aufweisen. Solch ein Batteriemodul wird im Folgenden als 12s1p-Modul bezeichnet, wobei 12s die zwölf in Reihe geschalteten Batteriezellen bezeichnet und 1p angibt, dass das Batteriemodul lediglich aus einem Strang in Reihe geschalteter Batteriezellen besteht und keine weiteren parallelgeschalteten Batteriezellen aufweist. Eine beispielhafte Hochvoltbatterie kann mehrere, z.B. neun solcher 12s1p-Batteriemodule aufweisen, die in Reihe geschaltet sind, um eine Batterie zu bilden, die mit 108s1p bezeichnet werden kann, bei der also 108 Batteriezellen in Reihe geschaltet sind. Alternativ kann ein erfindungsgemäßes Batteriemodul auch zwei oder mehrere parallel geschaltete Batteriestränge aufweisen. Eine weitere beispielhafte Hochvoltbatterie könnte demnach auch neun 12s2p-Batteriemodule aufweisen, wobei 2p angibt, dass das Batteriemodul aus zwei Strängen in Reihe geschalteter Batteriezellen besteht, um eine Batterie zu bilden, die mit 108s2p bezeichnet werden kann. Weist eine Lithiumionenzelle im aufgeladenen Zustand beispielsweise eine Spannung von 4,2 V auf, so ergibt sich für ein entsprechendes 12s1p-Batteriemodul eine Modulspannung von 50,4 V. Diese beispielhafte 108s1p-Batterie weist im geladenen Zustand eine maximale Batteriespannung von ungefähr 453,6 V auf. An exemplary battery has a battery module string of a plurality of battery modules. Each battery module comprises at least one battery cell, in the case of a lithium-ion battery, for example, lithium-ion cells. In a battery module several battery cells can be packed. For example, a battery module may have twelve series-connected lithium-ion cells. Such a battery module is hereinafter referred to as 12s1p module, wherein 12s denotes the twelve series-connected battery cells and 1p indicates that the battery module consists of only one strand of series-connected battery cells and has no further parallel-connected battery cells. An exemplary high-voltage battery may include a plurality, e.g. nine of such 12s1p battery modules are connected in series to form a battery, which can be referred to as 108s1p, ie in which 108 battery cells are connected in series. Alternatively, a battery module according to the invention can also have two or more battery strings connected in parallel. Accordingly, another example high voltage battery could also include nine 12s2p battery modules, where 2p indicates that the battery module consists of two strings of series connected battery cells to form a battery, which may be referred to as 108s2p. If a lithium-ion cell in the charged state has a voltage of 4.2 V, for example, a module voltage of 50.4 V results for a corresponding 12s1p battery module. This exemplary 108s1p battery has a maximum battery voltage of approximately 453.6 when charged V up.

Die beispielhafte Batterie weist ferner eine Schalteinheit mit wenigstens einem ersten und einem zweiten Schaltzustand auf, wobei im ersten Schaltzustand eine erste Untermenge an Batteriemodulen des Batteriemodulstranges in Reihe geschaltet sind, um an der Bereitstellung des Stromes teilzunehmen, und wobei im zweiten Schaltzustand eine zweite Untermenge an Batteriemodulen des Batteriemodulstranges in Reihe geschaltet sind, um an der Bereitstellung des Stromes teilzunehmen. Mittels der Schalteinheit können beliebige vorbestimmte Untermengen an Batteriemodulen ausgewählt werden, die an der Bereitstellung des Batteriestromes teilnehmen. Mit der Schalteinheit lassen sich beispielsweise bestimmte Batteriemodule zur Bereitstellung des Batteriestromes hinzuschalten oder von der Bereitstellung des Batteriestromes ausnehmen. Die Schalteinheit kann in diesem Sinne einen Bypass bewirken, der es ermöglicht einzelne oder mehrere Batteriemodule zu umgehen, oder nicht. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Batterien mit nur einer Schalteinheit beschränkt. Eine beispielhafte Batterie kann auch mehrere Schalteinheiten aufweisen. Entsprechende Ausführungsbeispiele sind weiter unten detaillierter beschrieben. The exemplary battery further includes a switching unit having at least a first and a second switching state, wherein in the first switching state, a first subset of battery modules of the battery module string are connected in series to participate in the provision of the current, and wherein in the second switching state, a second subset Battery modules of the battery module string are connected in series to participate in the provision of the current. By means of the switching unit, any predetermined subsets of battery modules can be selected, which participate in the provision of the battery current. With the switching unit, for example, certain battery modules can be switched on to provide the battery current or exclude it from providing the battery current. The switching unit can cause a bypass in this sense, which makes it possible to bypass one or more battery modules or not. However, the invention is not limited to batteries with only one switching unit. An exemplary battery may also include a plurality of switching units. Corresponding embodiments are described in more detail below.

Die beispielhafte Batterie weist eine Spannungsermittlungseinheit zur Ermittlung der elektrischen Spannung der an der Bereitstellung des Batteriestromes beteiligten Batteriemodule auf. Die Spannungsmessung kann beispielsweise durch ein Spannungsmessgerät erfolgen, das die elektrische Spannung zwischen den Polen der Batterie ermittelt. Die Spannungsmessung kann aber beispielsweise auch durch ein Batteriemanagementsystem erfolgen, welches Zellspannungen und ggf. andere Größen wie Temperatur und Widerstand von Batteriezellen ermittelt. Die Spannungsermittlungseinheit kann die Spannung entweder direkt über Messung der elektrischen Spannung ermitteln, oder indirekte Methoden verwenden, z.B. aus einem Ladezustandswert (SoC) und einer bekannten Ladezustands-Spannungs-Kennkurve auf die Batteriespannung rückschließen. The exemplary battery has a voltage determination unit for determining the electrical voltage of the battery modules involved in the provision of the battery current. The voltage measurement can be carried out for example by a voltage measuring device which determines the electrical voltage between the poles of the battery. However, the voltage measurement can also be carried out, for example, by a battery management system which determines cell voltages and possibly other variables such as temperature and resistance of battery cells. The voltage detection unit can either detect the voltage directly by measuring the voltage or use indirect methods, e.g. from a state of charge value (SoC) and a known state of charge-voltage characteristic curve on the battery voltage.

Die beispielhafte Batterie weist ferner eine Steuereinheit auf, welche dazu eingerichtet ist, die Schalteinheit in Abhängigkeit von der ermittelten elektrischen Spannung anzusteuern. Die Steuereinheit kann ein logischer Schaltkreis sein, oder ein programmierbarer Mikroprozessor, der für die Auswertung der gemessenen Spannung und die Steuerung der Schalteinheit vorgesehen ist. Die Steuereinheit kann beispielsweise Teil eines Batteriemanagementsystems sein, oder in einem zentralen Computer eines Fahrzeuges implementiert sein. Auch könnte die Steuereinheit in einer zu steuernden Batterie lokalisiert sein, oder aber auch außerhalb einer zu steuernden Batterie. Durch Ansteuern der Schalteinheit kann die Steuereinheit je nach gemessener Spannung vorbestimmte Mengen an Batteriemodulen auswählen, die an der Bereitstellung des Batteriestromes teilnehmen. The exemplary battery also has a control unit, which is set up to control the switching unit as a function of the determined electrical voltage. The control unit may be a logic circuit or a programmable microprocessor provided for the evaluation of the measured voltage and the control of the switching unit. The control unit may be part of a battery management system, for example, or implemented in a central computer of a vehicle. Also, the control unit could be located in a battery to be controlled, or even outside a battery to be controlled. By driving the switching unit, the control unit, depending on the measured voltage select predetermined amounts of battery modules that participate in the provision of battery power.

Die Steuereinheit kann beispielsweise so eingerichtet sein, dass sie die Schalteinheit derart ansteuert, dass im Falle eines Abfalls der Spannung unter einen vorgegebenen Schwellwert wenigstens ein zusätzliches Batteriemodul für die Bereitstellung des Batteriestromes hinzugeschaltet wird. Wird bei Abfall der Spannung unter einen vorgegebenen Schwellwert ein weiteres Batteriemodul in Reihe hinzugeschaltet, nimmt zwar die entnehmbare Kapazität nicht zu, aber die Spannung der Batterie kann dadurch im Falle einer Traktionsbatterie nahe an der Obergrenze der Leistungselektronik gehalten werden. Da der Energiegehalt einer Batterie linear mit der Spannung ansteigt, kann so der Energiegehalt der an der Bereitstellung der Batteriespannung beteiligten Batteriemodule optimal ausgenutzt werden. Ferner kann durch die höhere Spannung unter Annahme des gleichen Stromes die Leistung gesteigert bzw. gehalten werden. By way of example, the control unit can be set up in such a way that it controls the switching unit in such a way that, in the event of a voltage drop below a predetermined threshold, at least one additional battery module for supplying the battery current is connected. If a further battery module is connected in series when the voltage drops below a predetermined threshold value, the removable capacitance does not increase, but the voltage of the battery can thereby be kept close to the upper limit of the power electronics in the case of a traction battery. Since the energy content of a battery increases linearly with the voltage, the energy content of the battery modules involved in providing the battery voltage can thus be optimally utilized. Furthermore, by the higher voltage assuming the same current to increase or maintain the power.

Der Schwellwert kann beispielsweise in der Steuereinheit voreingestellt werden. Beispielsweise kann der Schwellwert in Abhängigkeit der Spannung des zuschaltbaren Batteriemoduls ermittelt werden. Liegt die obere Spannungsgrenze der Leistungselektronik bei 445 V und weist ein zuschaltbares 12s1p-Batteriemodul bei voller Ladung der Batteriezellen eine Spannung von 12 × 4,2 V = 50,4 V auf, so kann der Schwellwert beispielsweise auf 455 V – 50,4 V = 404,6 V eingestellt werden. Sinkt die Batteriespannung unter den Schwellwert, so kann die Steuereinheit das zusätzliche Batteriemodul hinzuschalten, so dass die Batteriespannung wieder an der Spannungsobergrenze von 445 V liegt und damit der Energiegehalt der Batterie optimal genutzt wird. Ist das zur Verfügung stehende zusätzliche Batteriemodul nicht voll aufgeladen, so ist die Zellenspannung geringer. Bei Lithiumionenzellen mit z.B. einem Drittelmix aus Metalloxiden als Kathodenmaterialien beträgt die Spannungsdifferenz zwischen geladenem und entladenen Zustand ca. 1,2 V. Beträgt die Zellspannung einer teilentladenen Lithiumionenzelle beispielsweise statt der vollen Spannung von 4,2 V nur 3,6 V, so weist ein entsprechendes 12s1p-Batteriemodul eine Spannung von lediglich 12 × 3,6 V = 43,2 V auf. In diesem Fall wird der Schwellwert zu 455 V – 43,2 V = 411,8 V gewählt. Sinkt die Batteriespannung unter den Schwellwert von 411,8 V, so kann die Steuereinheit das zusätzliche Batteriemodul hinzuschalten, so dass die Batteriespannung wieder an der Spannungsobergrenze von 445 V liegt und damit der Energiegehalt der Batterie optimal genutzt wird. Die Steuereinheit kann die für die Ermittlung des Schwellwertes hilfreichen elektrischen Spannungen der zuschaltbaren Batterien beispielsweise durch entsprechende Spannungsmesseinheiten ermitteln, oder diese von einem Batteriemanagementsystem zur Verfügung gestellt bekommen. The threshold value can be preset, for example, in the control unit. For example, the threshold value can be determined as a function of the voltage of the switchable battery module. If the upper voltage limit of the power electronics is 445 V and if a switchable 12s1p battery module has a voltage of 12 × 4.2 V = 50.4 V when the battery cells are fully charged, the threshold value may, for example, be 455 V-50.4 V. = 404.6V. If the battery voltage falls below the threshold value, the control unit can connect the additional battery module so that the battery voltage is again at the upper voltage limit of 445 V and thus the energy content of the battery is optimally utilized. If the available additional battery module is not fully charged, the cell voltage is lower. For lithium-ion cells with e.g. If the cell voltage of a partially discharged lithium-ion cell, for example, instead of the full voltage of 4.2 V only 3.6 V, has a corresponding 12s1p battery module a voltage of only 12 × 3.6V = 43.2V. In this case, the threshold is chosen to be 455V - 43.2V = 411.8V. If the battery voltage falls below the threshold value of 411.8 V, the control unit can connect the additional battery module so that the battery voltage is again at the voltage upper limit of 445 V and thus the energy content of the battery is optimally utilized. The control unit can determine the auxiliary voltages of the switchable batteries which are helpful for the determination of the threshold value, for example by means of corresponding voltage measuring units, or these can be made available by a battery management system.

Die Steuereinheit kann auch die Schalteinheit derart ansteuern, dass im Falle eines Spannungsanstieges über eine vorgegebene Grenzspannung wenigstens ein Batteriemodul von der Bereitstellung des Batteriestromes ausgenommen wird. So kann die Steuereinheit beispielsweise bei einer Traktionsbatterie verhindern, dass die Batteriespannung die Spannungsgrenze der Leistungselektronik übersteigt und diese damit vor einer Überlastung schützen. Dies ist besonders vorteilhaft, um Spannungsschwankungen aufgrund des sich verändernden Spannungsabfalls am Innenwiderstand eines Batteriemoduls bei variabler Leistungsentnahme zu kompensieren. Der Spannungsabfall am Innenwiderstand einer Batteriezelle ändert sich mit dem entnommenen Strom bzw. mit der entnommenen Leistung. Je höher der entnommene Batteriestrom ist, desto mehr Spannung fällt an den Innenwiderständen der Batteriezellen ab. Die am Innenwiderstand abfallende Spannung vermindert die an den Batteriepolen zur Verfügung stehende Batteriespannung. Somit hängt auch die Spannung eines Batteriemoduls bzw. die Batteriespannung von der Leistungsentnahme ab. Beschleunigt beispielsweise ein Kraftfahrzeug, so steigt die dem Traktionsmotor zugeführte Leistung bzw. die der Traktionsbatterie entnommene Leistung an. Dadurch fällt die Batteriespannung ab. Fällt die Batteriespannung unter einen definierten Schwellwert, so kann die Steuerung nach den oben beschriebenen Prinzipien ein zusätzliches Batteriemodul zuschalten, um die Spannung nahe der Spannungsgrenze der Leistungselektronik zu halten. Endet der Beschleunigungsvorgang des Kraftfahrzeuges, so nimmt die der Traktionsbatterie entnommene elektrische Leistung wieder ab und der Spannungsabfall an Innenwiderständen reduziert sich wieder, so dass die Batteriespannung wieder ansteigt. Um zu vermeiden, dass die Batteriespannung mit dem zugeschalteten Batteriemodul über die Spannungsgrenze der Leistungselektronik steigt, wird das zusätzliche Batteriemodul bei Erreichen der Spannungsgrenze wieder abgekoppelt, d.h. von der Bereitstellung des Batteriestromes ausgenommen. Dadurch bleibt die Batteriespannung unterhalb der Spannungsgrenze und eine Überlastung der Leistungselektronik kann vermieden werden. The control unit can also control the switching unit such that in the case of a voltage increase over a predetermined limit voltage at least one battery module is excluded from the provision of the battery current. For example, in the case of a traction battery, the control unit can prevent the battery voltage from exceeding the voltage limit of the power electronics and thus protect it from overloading. This is particularly advantageous to compensate for voltage fluctuations due to the changing voltage drop across the internal resistance of a battery module with variable power extraction. The voltage drop across the internal resistance of a battery cell changes with the current drawn or with the power drawn. The higher the battery current removed, the more voltage drops across the internal resistances of the battery cells. The voltage drop across the internal resistance reduces the battery voltage available at the battery poles. Thus, the voltage of a battery module or the battery voltage depends on the power extraction. If, for example, a motor vehicle accelerates, the power supplied to the traction motor or the power taken from the traction battery increases. As a result, the battery voltage drops. If the battery voltage falls below a defined threshold value, the controller can connect an additional battery module according to the principles described above in order to keep the voltage close to the voltage limit of the power electronics. If the acceleration process of the motor vehicle ends, the electric power taken from the traction battery decreases again and the voltage drop at internal resistances reduces again, so that the battery voltage rises again. In order to avoid that the battery voltage with the connected battery module rises above the voltage limit of the power electronics, the additional battery module is disconnected again when the voltage limit is reached, i. excluded from the provision of battery power. As a result, the battery voltage remains below the voltage limit and overloading of the power electronics can be avoided.

Die beispielhaft beschriebene Steuerungseinheit kann damit die Batteriespannung dynamisch in einem optimalen Bereich halten, um den entnehmbaren Energiegehalt zu optimieren, die maximale Leistungsverfügbarkeit sicherzustellen oder die Strombelastung der Zellen zu senken und damit eine Überlastung der Leistungselektronik zu vermeiden. The control unit described by way of example can thus keep the battery voltage dynamically in an optimum range in order to optimize the extractable energy content, to ensure maximum power availability or to reduce the current load on the cells and thus to avoid overloading the power electronics.

In der obigen Beschreibung wurde zur Erläuterung der Prinzipien der Erfindung der Fall eines einzigen zuschaltbaren Batteriemoduls betrachtet, das mittels einer Schalteinheit hinzugeschaltet oder von der Bereitstellung des Batteriestromes ausgenommen werden kann. Eine beispielhafte Batterie kann jedoch weitere Schalteinheiten zur selektiven Festlegung von Untermengen an Batteriemodulen des Batteriemodulstranges aufweisen, die in Reihe geschaltet sind, um an der Bereitstellung des Batteriestromes teilzunehmen. So können auf flexible Weise mehrere Batteriemodule oder gar beliebige Batteriemodule hinzugeschaltet oder ausgenommen werden. Dem Fachmann stehen verschiedenste Möglichkeiten zur Verfügung, solche Schalteinheiten und Batteriemodule anzuordnen. So kann beispielsweise für jedes zuschaltbare Batteriemodul eine eigene Schalteinheit vorgesehen werden, mit der das zugehörige Batteriemodul individuell hinzugeschaltet oder ausgenommen werden kann. Auch ist es möglich, mehrere Schalteinheiten so anzuordnen, dass eine vorbestimmte Serie zusätzlicher Batteriemodule durch entsprechende Ansteuerung der Schaltelemente sequentiell an der Bereitstellung des Batteriestromes beteiligt werden. In the above description, in order to explain the principles of the invention, the case of a single connectable battery module has been considered, which may be connected by means of a switching unit or excluded from the provision of battery power. However, an exemplary battery may include other switching units for selectively defining subsets of battery modules of the battery module string connected in series to participate in the provision of battery power. Thus, several battery modules or even any battery modules can be added or excluded in a flexible manner. The person skilled in the various options are available to arrange such switching units and battery modules. For example, a separate switching unit can be provided for each switchable battery module with which the associated battery module can be individually connected or excluded. It is also possible to arrange a plurality of switching units so that a predetermined series of additional Battery modules are involved by appropriate control of the switching elements sequentially to the provision of battery power.

Zur Vereinfachung des Verschaltungsaufwandes kann eine bestimmte Anzahl an Batteriemodulen fest an der Bereitstellung des Batteriestromes beteiligt werden und eine Hauptbatterie bilden. Bei einer Spannungsgrenze von 445 V einer Leistungselektronik können beispielsweise acht 12s1p-Lithiumionen-Batteriemodule, die zusammen im voll geladenen Zustand eine Spannung von 8 × 12 × 4,2 V = 403,2 V bereitstellen, als Hauptbatterie verwendet werden und fest an der Bereitstellung des Batteriestromes beteiligt werden, ohne dass die Gefahr besteht, dass die Spannungsobergrenze der Leistungselektronik überschritten wird. Auf Schalteinheiten zum Ausnehmen dieser Batteriemodule kann verzichtet werden. Die Batterie kann aber eine gewisse Anzahl zusätzlicher 12s1p-Batteriemodule, oder auch andere Module aufweisen, wie beispielsweise 6s1p-Batteriemodule, 6s2p-Batteriemodle, einzelne Zellen, oder dergleichen, die bei Bedarf von der Steuereinheit hinzugeschaltet werden können, um die Batteriespannung möglichst nahe an der Spannungsgrenze der Leistungselektronik zu halten. Alternativ könnten aber statt einer festen Beteiligung der acht 12s1p-Batteriemodule einzelne oder alle dieser Batteriemodule mit einer Schalteinheit versehen werden, um einzelne oder mehrere dieser Batteriemodule der Hauptbatterie von der Bereitstellung des Batteriestromes ausnehmen zu können bzw. wieder hinzuschalten zu können. To simplify the Verschaltungsaufwandes a certain number of battery modules can be firmly involved in the provision of battery power and form a main battery. For example, with a voltage limit of 445 V of power electronics, eight 12s1p lithium-ion battery modules that together provide a voltage of 8 × 12 × 4.2V = 403.2V when fully charged may be used as the main battery and fixed be involved in the battery current without the risk that the voltage upper limit of the power electronics is exceeded. Switching units for removing these battery modules can be dispensed with. However, the battery may include a number of additional 12s1p battery modules, or other modules, such as 6s1p battery modules, 6s2p battery modules, single cells, or the like, which may be added as needed by the control unit to bring the battery voltage as close as possible to keep the voltage limit of the power electronics. Alternatively, instead of a fixed involvement of the eight 12s1p battery modules, individual or all of these battery modules could be provided with a switching unit in order to be able to exclude or reconnect one or more of these battery modules of the main battery from the supply of battery power.

Sind mittels mehrerer Schaltungseinheiten einzelne oder mehrere Batteriemodule flexibel hinzuschaltbar und wieder ausnehmbar, so können durch Auswahl entsprechender Untergruppen an Batteriemodulen flexible Spannungssprünge erreicht werden. Steht beispielsweise ein voll geladenes zuschaltbares 12s1p-Batteriemodul mit 50,4 V und ein voll geladenes zuschaltbares 6s1p-Batteriemodul mit 25,2 V zur Verfügung, so können durch selektives Hinzuschalten jeweils eines der beiden Batteriemodule Spannungssprünge von 25,2 V oder 50,4 V erzielt werden, oder durch gleichzeitiges Hinzuschalten beider Batteriemodule ein Spannungssprung von 25,2 V + 50,4 V = 75,6 V erzielt werden. Tritt an einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeuges beispielsweise ein hoher Spannungsabfall aufgrund einer starken Beschleunigung und der damit verbundenen hohen Leistungsentnahme auf, so können beide Batteriemodule hinzugeschaltet werden, um den Spannungsabfall zu kompensieren. Nimmt die Leistungsentnahme dann wieder langsam ab, so können die beiden zusätzlichen Module sukzessive wieder von der Bereitstellung des Batteriestromes ausgenommen werden. If, by means of a plurality of circuit units, one or more battery modules can be flexibly connected and removed, flexible voltage jumps can be achieved by selecting corresponding subgroups of battery modules. If, for example, a fully charged switchable 12s1p battery module with 50.4 V and a fully charged switchable 6s1p battery module with 25.2 V are available, by selective addition of one of the two battery modules, voltage jumps of 25.2 V or 50.4 can be achieved V can be achieved, or by simultaneous addition of both battery modules, a voltage jump of 25.2 V + 50.4 V = 75.6 V can be achieved. Occurs on a traction battery of a motor vehicle, for example, a high voltage drop due to a strong acceleration and the associated high power draw, so both battery modules can be added to compensate for the voltage drop. If the power consumption then decreases again slowly, then the two additional modules can be successively excluded again from the provision of the battery current.

Die zuschaltbaren Batteriemodule können hinsichtlich ihrer Kapazitäten so dimensioniert werden, dass die Ladungsmengen der hinzuschaltbaren Batteriemodule optimiert entnommen werden. Bei einer beispielhaften Batterie kann beispielsweise eine erste Untermenge an Batteriemodulen vorbestimmte Batteriemodule enthalten, die jeweils eine gemeinsame Kapazität aufweisen. Eine zweite Untermenge an Batteriemodulen kann zusätzlich zu diesen Batteriemodulen der ersten Untermenge an Batteriemodulen ein oder mehrere hinzuschaltbare Batteriemodule enthalten, deren Kapazität geringer ist, als die Kapazität der Batteriemodule der ersten Untermenge. In einem beispielhaften Szenario können z.B. neun 12s1p-Batteriemodule in dem Batteriemodulstrang vorgesehen werden, die zusammen eine Spannung von 9 × 12 × 4,2 V = 453,6 V nahe der Spannungsgrenze einer Leistungselektronik aufweisen und jeweils eine Kapazität von 28 Ah aufweisen und als Hauptbatterie fest an der Bereitstellung des Batteriestromes beteiligt sind. Da diese Batteriemodule gleich dimensioniert sind und immer gleichzeitig beansprucht werden, nimmt ihr Ladezustand bei Leistungsentnahme gleichmäßig ab, d.h. nach einer gewissen Leistungsentnahme weisen diese Batteriemodule den gleichen verminderten Ladezustand auf. Der Ladezustandswert (auch genannt „State of Charge“, kurz SoC) ist ein Kennwert für den Ladezustand von Batterien. Der Ladezustandswert kennzeichnet die noch verfügbare Ladungsmenge einer Batterie im Verhältnis zum Nominalwert. Der Ladezustandswert wird in Prozent vom Nominalwert, d.h. vom vollgeladenen Zustand angegeben. Ein Ladezustandswert von 50% bedeutet beispielsweise, dass die Batterie noch eine Restladung von 50% bezogen auf die Vollladung von 100% hat. Ein Batteriemodul mit einer nominalen Kapazität von 28 Ah hat beispielsweise bei einem Ladezustandswert von 50% nur noch eine entnehmbare Ladungsmenge von 14 Ah. Der Ladezustandswert eines Batteriemoduls kann auf die dem Fachmann bekannte Weise ermittelt werden, beispielsweise durch Spannungsmessung, auf stromintegrativer Basis, durch Messung der Impedanz, bei Batterien mit flüssigem Elektrolyt auf chemischer Basis, oder bei NiMH-Akkus mittels der Abhängigkeit des Ladezustandswertes vom inneren Druck. Die Methode der Spannungsmessung benutzt zur Bestimmung des Ladezustandswertes vorgegebene Entladekurven. Bei der stromintegrativen Methode wird der Ladezustandswert über den Batteriestrom während einer Integrationszeit ermittelt. Ferner ist auch eine Kombination zweier oder mehrerer der genannten Verfahren möglich. The switchable battery modules can be dimensioned in terms of their capacities so that the charge quantities of hinzuschaltbaren battery modules are taken optimized. For example, in an exemplary battery, a first subset of battery modules may include predetermined battery modules, each having a common capacitance. A second subset of battery modules may include, in addition to these battery modules of the first subset of battery modules, one or more addendrable battery modules whose capacity is less than the capacity of the battery modules of the first subset. In an exemplary scenario, e.g. nine 12s1p battery modules are provided in the battery module string, which together have a voltage of 9 × 12 × 4.2 V = 453.6 V near the voltage limit of a power electronics and each having a capacity of 28 Ah and as a main battery firmly to the provision of the Batteriestromes are involved. Since these battery modules are the same size and are always stressed at the same time, their state of charge decreases even when power is removed, i. After a certain power consumption, these battery modules have the same reduced state of charge. The state of charge (also called "state of charge", in short SoC) is a characteristic value for the state of charge of batteries. The state of charge value indicates the remaining available amount of charge of a battery in relation to the nominal value. The state of charge value is expressed as a percentage of the nominal value, i. indicated by the fully charged state. A charge state value of 50% means, for example, that the battery still has a remaining charge of 50% based on the full charge of 100%. A battery module with a nominal capacity of 28 Ah, for example, has a charge state value of 50% only a removable amount of charge of 14 Ah. The state of charge value of a battery module can be determined in the manner known to the person skilled in the art, for example by voltage measurement, on a current-integrative basis, by measuring the impedance, in batteries with liquid electrolyte on a chemical basis, or in NiMH batteries by means of the dependency of the charge state value on the internal pressure. The method of voltage measurement uses predetermined discharge curves to determine the state of charge value. In the current-integrative method, the charge state value is determined via the battery current during an integration time. Furthermore, a combination of two or more of said methods is possible.

Dimensioniert man ein hinzuschaltbares Batteriemodul so, dass es eine geringere nominale Kapazität aufweist, als die fest verbauten Batteriemodule einer Hauptbatterie, so kann die zur Verfügung stehende Kapazität dieses zuschaltbaren Moduls besser genutzt werden. Fällt beispielsweise durch Leistungsentnahme der Ladezustandswert von neun 12s1p-Batteriemodulen der Hauptbatterie mit 28 Ah an nominaler Kapazität von einem maximalen Wert auf einen Ladezustandswert von 60%, bis schließlich ein Schwellwert 400 V der Batteriespannung unterschritten wird, der zum Zuschalten eines zusätzlichen 12s1p-Batteriemoduls mit 50,4 V Spannung führt, so ist es ausreichend und bevorzugt, wenn das zuschaltbare Batteriemodul eine nominale Kapazität von 60% × 28 Ah = 16,8 Ah aufweist. Nach dem Zuschalten dieses zusätzlichen Batteriemoduls bei 60% Ladezustand der Batteriemodule mit 28 Ah nominaler Kapazität haben alle an der Bereitstellung des Batteriestromes beteiligten Batteriemodule eine entnehmbare Restkapazität von 16,8 Ah, so dass mit weitergehender Leistungsentnahme alle Batteriemodule etwa gleichzeitig den vollständig entladenen Zustand erreichen. Wäre das zuschaltbare Batteriemodul größer dimensioniert, z.B. mit einer nominalen Kapazität von 28 Ah, die jener der fest verbauten Batteriemodule der Hauptbatterie entspricht, so würde in dem zugeschalteten Batteriemodul eine nicht mehr entnehmbare Restkapazität verbleiben, wenn die fest verbauten Batteriemodule bereits den entladenen Zustand erreicht haben. Das beschriebene Prinzip der Kapazitätsoptimierung kann auf weitere zuschaltbare Batteriemodule ausgedehnt werden. So könnte beispielsweise ein zweites zuschaltbares 12s1p-Batteriemodul bei einem Ladezustandswert von etwa 35% zugeschaltet werden. Für dieses zweite zuschaltbare 12s1p-Batteriemodul wäre eine nominale Kapazität von 35% × 28 Ah = 9,8 Ah ausreichend. Durch entsprechende Dimensionierung kann demnach die Kapazität der zuschaltbaren Batteriemodule optimal genutzt werden. Das hat den Vorteil, dass die zuschaltbaren Batteriemodule kleiner und kostengünstiger dimensioniert werden können. Auch ist es damit beispielsweise möglich, eine ältere Zellgeneration für eine Kostenoptimierung oder eine Leistungszelle für eine Gewichts- und Bauraumoptimierung einzusetzen. If a battery module which can be connected to the mains is dimensioned such that it has a smaller nominal capacity than the permanently installed battery modules of a main battery, the available capacity of this switchable module can be better utilized. Falls through, for example Withdraws the state of charge of nine 12s1p battery modules of the main 28 Ah battery of nominal capacity from a maximum value to a 60% charge state value until it finally falls below a 400 V battery voltage threshold, which is used to connect an additional 12s1p battery module to 50.4 V voltage leads, it is sufficient and preferred if the switchable battery module has a nominal capacity of 60% × 28 Ah = 16.8 Ah. When this additional battery module is connected to the 60% state of charge of the 28 Ah nominal capacity battery modules, all of the remaining battery modules have a removable residual capacity of 16.8 Ah, so that as the power is removed, all the battery modules reach the fully discharged state at about the same time. If the switchable battery module had a larger size, eg with a nominal capacity of 28 Ah, which corresponds to that of the permanently installed battery modules of the main battery, a no longer removable residual capacity would remain in the connected battery module if the firmly installed battery modules have already reached the discharged state , The described principle of capacity optimization can be extended to other switchable battery modules. Thus, for example, a second switchable 12s1p battery module could be switched on at a state of charge value of about 35%. For this second switchable 12s1p battery module, a nominal capacity of 35% × 28 Ah = 9.8 Ah would be sufficient. By appropriate dimensioning, therefore, the capacity of the switchable battery modules can be optimally used. This has the advantage that the switchable battery modules can be sized smaller and cheaper. It is also possible, for example, to use an older cell generation for cost optimization or a power cell for weight and space optimization.

Als Schalteinheit zum Zuschalten von zusätzlichen Batteriemodulen oder Zellen kann in den beschriebenen Batterien beispielsweise ein bistabiles Relais verwendet werden. Dies hat den Vorteil, dass der Verschaltungsaufwand gering ist. Vorzugsweise werden als Schalteinheit Halbleiterschalter verwendet. Dies hat den Vorteil, dass eine Schalteinheit auch bei Leistungsentnahme schaltbar ist, so dass eine dynamische Optimierung der Batteriespannung beispielsweise auch während Leistungsentnahme erfolgen kann. So können, wenn kurzfristig eine hohe Leistung erforderlich ist, ein oder mehrere Batteriemodule oder Zellen flexibel zugeschaltet werden. Umgekehrt kann ein zugeschaltetes Modul bei Bedarf in einer Rekuperationsphase wieder abgeschaltet werden, z.B. wenn es bereits seinen voll geladenen Zustand erreicht hat. Somit kann trotz der Limitierung der Spannung einer Leistungselektronik ein maximaler Rekuperationsstrom in die verbleibenden Batteriemodule geladen werden. Damit kann in einigen Fahrsituationen eine bessere Performance erreicht werden. As a switching unit for connecting additional battery modules or cells can be used in the batteries described, for example, a bistable relay. This has the advantage that the Verschaltungsaufwand is low. Preferably, semiconductor switches are used as the switching unit. This has the advantage that a switching unit is switchable even when power is removed, so that a dynamic optimization of the battery voltage, for example, during power extraction can be done. Thus, if high power is required in the short term, one or more battery modules or cells can be flexibly switched on. Conversely, a switched-on module can be switched off again if necessary in a recuperation phase, e.g. when it has already reached its fully charged state. Thus, despite the limitation of the voltage of a power electronics, a maximum recuperation current can be loaded into the remaining battery modules. This can be achieved in some driving situations better performance.

Mittels der beschriebenen beispielhaften Batterien kann der nutzbare Energieinhalt eines Batteriesystems erhöht werden, insbesondere eines Batteriesystems, das nahe an einer durch die elektrischen Bauteile einer angeschlossenen Elektronik vorgegebenen Spannungsgrenze arbeitet. Es wird damit möglich, Batteriesysteme zu konstruieren, die trotz gegebener Beschränkungen, wie beispielsweise Spannungsgrenzen einer Leistungselektronik, höhere Energieinhalte bereitstellen. Auch kann es durch die beispielhaft beschriebenen Batterien möglich sein, den Energiegehalt einer Antriebsbatterie zu erhöhen, ohne auf eine Verwendung parallelgeschalteter Batteriezellen zurückgreifen zu müssen. Ferner wird es mit den beispielhaften Batterien aufgrund der Optimierung der Batteriespannung möglich, über einen größeren Ladezustandsbereich eine maximale elektrische Leistung zu entnehmen. By means of the described exemplary batteries, the usable energy content of a battery system can be increased, in particular a battery system which works close to a voltage limit predetermined by the electrical components of a connected electronics. It thus becomes possible to design battery systems which, despite given limitations, such as voltage limits of power electronics, provide higher energy contents. It may also be possible by the batteries described by way of example to increase the energy content of a drive battery, without having to resort to a use of parallel-connected battery cells. Further, with the example batteries, due to the optimization of the battery voltage, it becomes possible to extract a maximum electric power over a larger state of charge range.

Ein beispielhaftes Verfahren zur Steuerung einer wie oben beschrieben Batterie umfasst ein Ermitteln der elektrischen Spannung der an der Bereitstellung des Batteriestromes beteiligten Batteriemodule und ein Ansteuern der Schalteinheit in Abhängigkeit von der ermittelten elektrischen Spannung. Das Verfahren kann ferner ein Steuern der Schalteinheit derart umfassen, dass im Falle eines Abfalls der elektrischen Spannung unter einen vorgegebenen Schwellwert wenigstens ein zusätzliches Batteriemodul für die Bereitstellung des Batteriestromes hinzugeschalt wird. Auch kann das Verfahren ferner ein Steuern der Schalteinheit derart umfassen, dass im Falle eines Spannungsanstieges über eine vorgegebene Grenzspannung wenigstens ein Batteriemodul von der Bereitstellung des Batteriestromes ausgenommen wird. An exemplary method for controlling a battery as described above comprises determining the electrical voltage of the battery modules involved in the provision of the battery current and driving the switching unit as a function of the determined electrical voltage. The method may further comprise controlling the switching unit such that in the event of a voltage drop below a predetermined threshold, at least one additional battery module is added to provide the battery power. The method may also include controlling the switching unit such that in the event of a voltage increase above a predetermined limit voltage at least one battery module is excluded from the provision of the battery current.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Batterie anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Embodiments of a battery according to the invention will now be described with reference to the accompanying drawings.

1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batterieschaltung. Eine beispielhafte Batterie 10 erzeugt einen Batteriestrom I und umfasst vier Batteriemodule 12a–d, die fest an der Bereitstellung des Batteriestromes I beteiligt sind und damit eine Hauptbatterie 24 bilden. Die Batterie weist ferner zwei zuschaltbare Batteriemodule 12e und 12f auf, die mittels Schalteinheiten 16a bzw. 16b für die Bereitstellung des Batteriestromes I zugeschaltet werden können, oder von der Bereitstellung des Batteriestromes I ausgenommen werden können. Die Batteriemodule 12a–d der Hauptbatterie und die zuschaltbaren Batteriemodule 12e und 12f bilden einen Batteriemodulstrang. 1 shows schematically an embodiment of a battery circuit according to the invention. An exemplary battery 10 generates a battery current I and includes four battery modules 12a -D, who are firmly involved in the provision of the battery current I and thus a main battery 24 form. The battery also has two switchable battery modules 12e and 12f on, by means of switching units 16a respectively. 16b can be switched on for the provision of the battery current I, or can be excluded from the provision of the battery current I. The battery modules 12a -D the main battery and the switchable battery modules 12e and 12f form a battery module string.

Die Schalteinheit 16a weist zwei Schaltzustände auf. In einem ersten Schaltzustand verbindet die Schalteinheit 16a einen Hauptstrompfad 26 der Batterie 10 mit einem Bypass 28, der zu einer Umgehung der beidem Batteriemodule 12e und 12f führt, so dass nur die Hauptbatterie an der Bereitstellung des Batteriestromes I beteiligt ist. In einem zweiten Schaltzustand verbindet die Schalteinheit 16a den Hauptstrompfad 26 mit dem ersten zusätzlichen Batteriemodul 12e, so dass dieses Batteriemodul 12e an der Bereitstellung des Batteriestromes I beteiligt wird. Mittels der Schalteinheit 16b kann ferner bestimmt werden, ob auch das zweite zuschaltbare Batteriemodul 12f an der Bereitstellung des Batteriestromes I beteiligt werden soll oder nicht. Verbindet die Schalteinheit 16b den Hauptstrompfad 26 mit dem Bypass 28, so wird das Batteriemodul 12f umgangen und damit von der Bereitstellung des Batteriestromes I ausgenommen. Verbinden die Schalteinheiten 16a und 16b die Batteriemodule 12e und 12f mit dem Hauptstrompfad 26, so werden beide Batteriemodule 12e und 12f an der Bereitstellung des Batteriestromes I beteiligt. In dem Ausführungsbeispiel ist ein serielles Hinzuschalten der Batteriemodule 12e und 12f möglich. Die Schalteinheiten können vom Fachmann aber auch so eingerichtet werden, dass eine individuelle Zuschaltung der Batteriemodule möglich ist, beispielsweise indem für jedes Batteriemodul ein individueller Bypass vorgesehen wird, der mittels einer zugehörigen Schalteinheit aktiviert werden kann und ein selektives Umgehen nur des entsprechenden Batteriemoduls ermöglicht. The switching unit 16a has two switching states. In a first switching state, the switching unit connects 16a a main stream path 26 the battery 10 with a bypass 28 leading to a bypass of the two battery modules 12e and 12f leads so that only the main battery is involved in the provision of the battery current I. In a second switching state, the switching unit connects 16a the main stream path 26 with the first additional battery module 12e so this battery module 12e involved in the provision of the battery current I. By means of the switching unit 16b can also be determined whether the second switchable battery module 12f be involved in the provision of the battery current I or not. Connects the switching unit 16b the main stream path 26 with the bypass 28 , so will the battery module 12f bypassed and thus excluded from the provision of the battery current I. Connect the switching units 16a and 16b the battery modules 12e and 12f with the main stream path 26 , so both battery modules 12e and 12f involved in the provision of the battery current I. In the exemplary embodiment, a series connection of the battery modules is provided 12e and 12f possible. However, the switching units can also be set up by the person skilled in the art in such a way that individual connection of the battery modules is possible, for example by providing an individual bypass for each battery module which can be activated by means of an associated switching unit and allows selective bypassing of only the corresponding battery module.

Zur Messung der Spannung der Batterie ist in 1 schematisch eine Spannungsermittlungseinheit 14 gezeigt, welche die Spannung an den Polen der Batterie ermittelt. Alternativ kann die Batteriespannung aber auch durch ein Batteriemanagementsystem ermittelt werden, das die Spannungen der einzelnen Batteriemodule getrennt ermitteln kann und daraus auf die gesamte Spannung der Batterie rückschließen kann. Die Spannungsermittlungseinheit 14 ist über einen digitalen Datenbus 20, beispielsweise einen CAN-Bus oder einen LIN-Bus, mit einer Steuereinheit 22 verbunden und übermittelt die gemessene Batteriespannung an diese Steuereinheit 22. Auch die Schalteinheiten 16a und 16b sind über den Datenbus 20 mit der Steuereinheit 22 verbunden, so dass die Steuereinheit 22 durch Übersenden von Steuersignalen den Zustand der Schalteinheiten 16a und 16b ändern kann, um die zusätzlichen Batteriemodule 12e und 12f für die Bereitstellung des Batteriestromes I hinzuzuschalten, oder von der Bereitstellung des Batteriestromes I auszunehmen. To measure the voltage of the battery is in 1 schematically a voltage detection unit 14 shown, which determines the voltage at the poles of the battery. Alternatively, the battery voltage can also be determined by a battery management system, which can determine the voltages of the individual battery modules separately and can infer from this on the total voltage of the battery. The voltage detection unit 14 is via a digital data bus 20 , For example, a CAN bus or a LIN bus, with a control unit 22 connected and transmits the measured battery voltage to this control unit 22 , Also the switching units 16a and 16b are over the data bus 20 with the control unit 22 connected, so the control unit 22 by sending control signals the state of the switching units 16a and 16b can change to the extra battery modules 12e and 12f for the provision of the battery current I, or to exclude from the provision of the battery current I.

2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel für die Schalteinheiten 16a oder 16b. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Schalteinheit als ein analoger Schalter, beispielsweise ein bistabiles Relais, ausgebildet. Ein Kontaktpunkt 30 ist mit dem Hauptstrompfad 26 der Batterie 10 aus 1 verbunden. Ein Kontaktpunkt 32 ist mit einem zusätzlichen Batteriemodul, beispielsweise dem Batteriemodul 12e der 1 verbunden. Ein Kontaktpunkt 34 ist mit einem Bypass, beispielsweise dem Bypass 28 aus 1 verbunden. Durch Änderung der Stellung des Schaltarms 36 kann der Schalter zwischen einem ersten Zustand, in dem die Kontaktpunkte 30 und 32 leitend miteinander verbunden sind, und einem zweiten Zustand, in dem die Kontaktpunkte 30 und 34 leitend miteinander verbunden sind, wechseln 2 schematically shows an embodiment of the switching units 16a or 16b , In this embodiment, a switching unit is designed as an analog switch, for example a bistable relay. A contact point 30 is with the main current path 26 the battery 10 out 1 connected. A contact point 32 is with an additional battery module, such as the battery module 12e of the 1 connected. A contact point 34 is with a bypass, for example, the bypass 28 out 1 connected. By changing the position of the switching arm 36 The switch can switch between a first state in which the contact points 30 and 32 are conductively connected to each other, and a second state in which the contact points 30 and 34 Conductive interconnected, change

3 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Schalteinheiten 16a oder 16b. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Schalteinheit als Halbleiterschalter ausgebildet. Der Halbleiterschalter verbindet einen Kontaktpunkt 40, der beispielsweise mit dem Hauptstrompfad 26 der Batterie 10 aus 1 verbunden, wahlweise mit einem Kontaktpunkt 42, der mit einem zusätzlichen Batteriemodul, beispielsweise dem Batteriemodul 12e der 1, verbunden ist, oder mit einem Kontaktpunkt 44, der mit einem Bypass, beispielsweise dem Bypass 28 aus 1, verbunden ist. Der Halbleiterschalter weist zwei Paare eines Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) 46 bzw. 48 und einer dazu antiparallel geschalteten Halbleiterdiode 52 bzw. 54 auf. Der MOSFET 46 bzw. 48 wirkt wie ein spannungsgesteuerter Widerstand, das heißt, über die Gate-Source-Spannung UGS kann der Widerstand RDS zwischen Drain D und Source S und somit der Strom IDS durch RDS um mehrere Größenordnungen geändert werden. Die antiparallelen Dioden 50 und 52 können vorgesehen werden, um Ströme zu unterdrücken, die durch Induktivität beim Schalten der MOSFETs entstehen. Die antiparallelen Dioden 50 und 52 könnten in alternativen Ausführungsformen aber auch weggelassen werden. Durch entsprechende Steuerung der Gate-Spannungen des MOSFETs 46 bzw. 48 kann selektiv der Stromweg zwischen den Kontaktpunkten 40 und 42 bzw. zwischen den Kontaktpunkten 40 und 44 freigeschaltet werden. Dazu wird entweder MOSFET 46 durchgeschaltet und MOSFET 48 gesperrt, oder umgekehrt. Zur Ansteuerung der MOSFETs sind Leitungen 54 und 56 vorgesehen, die die jeweiligen Gatzes der MOSFETs mit Gate-Treibern verbinden. Die Steuereinheit 22 aus 1 kann durch Steuersignale, die über den Datenbus 20 versendet werden, diese Gate-Treiber ansteuern, um den Halbleiterschalter zu schalten. Der Halbleiterschalter könnte statt MOSFETs auch Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTs) oder dergleichen einsetzen. 3 schematically shows a further embodiment of the switching units 16a or 16b , In this embodiment, a switching unit is designed as a semiconductor switch. The semiconductor switch connects a contact point 40 for example, with the main current path 26 the battery 10 out 1 connected, optionally with a contact point 42 that with an additional battery module, such as the battery module 12e of the 1 , connected, or with a contact point 44 that with a bypass, for example, the bypass 28 out 1 , connected is. The semiconductor switch has two pairs of metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs) 46 respectively. 48 and a semiconductor diode connected in antiparallel 52 respectively. 54 on. The MOSFET 46 respectively. 48 acts as a voltage-controlled resistor, that is, via the gate-source voltage U GS , the resistance R DS between the drain D and source S and thus the current I DS by R DS can be changed by several orders of magnitude. The antiparallel diodes 50 and 52 may be provided to suppress currents caused by inductance in switching the MOSFETs. The antiparallel diodes 50 and 52 but could also be omitted in alternative embodiments. By appropriate control of the gate voltages of the MOSFET 46 respectively. 48 can selectively change the current path between the contact points 40 and 42 or between the contact points 40 and 44 be unlocked. This is either MOSFET 46 turned on and MOSFET 48 locked, or vice versa. To control the MOSFETs are cables 54 and 56 provided that connect the respective Gatzes of the MOSFETs with gate drivers. The control unit 22 out 1 can by control signals coming through the data bus 20 be sent, these gate driver drive to switch the semiconductor switch. The semiconductor switch could also use insulated gate bipolar transistors (IGBTs) or the like instead of MOSFETs.

4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Dimensionierung einer erfindungsgemäßen Batterie. Der Batteriemodulstrang der beispielhaften Batterie umfasst neun 12s1p-Batteriemodule mit Batteriezellen mit einer nominalen Kapazität von 28 Ah. Diese neun Batteriemodule sind fest in den Hauptstrompfad der Batterie geschaltet und bilden somit eine 108s1p-Hauptbatterie. Der Hauptbatterie können drei weitere 12s1p-Batteriemodule hinzugeschaltet werden. Diese weisen kleinere nominale Kapazitäten auf, als die Batteriemodule der Hauptbatterie. So weist das erste zuschaltbare Batteriemodul eine nominale Kapazität von 17 Ah auf. Das zweite zuschaltbare Batteriemodul weist eine nominale Kapazität von 10 Ah auf und das dritte zuschaltbare Batteriemodul weist eine nominale Kapazität von 6 Ah. Das erste zuschaltbare Batteriemodul wird vorzugsweise bei etwa 60% Ladezustandswert der Hauptbatterie hinzugeschaltet. Das zweite zuschaltbare Batteriemodul wird vorzugsweise bei etwa 35% Ladezustandswert der Hauptbatterie hinzugeschaltet. Das dritte zuschaltbare Batteriemodul wird vorzugsweise bei etwa 21% Ladezustandswert der Hauptbatterie hinzugeschaltet. Solch eine oder ähnliche Staffelungen der nominalen Kapazitäten der zuschaltbaren Batteriemodule erlauben eine bessere Ausnutzung der entnehmbaren Kapazitäten der zuschaltbaren Batteriemodule. 4 shows an embodiment for the dimensioning of a battery according to the invention. The battery module string of the exemplary battery includes nine 12s1p battery modules with battery cells having a nominal capacity of 28 Ah. These nine battery modules are firmly in the main current path connected to the battery and thus form a 108s1p main battery. The main battery can be connected to three additional 12s1p battery modules. These have smaller nominal capacities than the battery modules of the main battery. Thus, the first switchable battery module has a nominal capacity of 17 Ah. The second switchable battery module has a nominal capacity of 10 Ah and the third switchable battery module has a nominal capacity of 6 Ah. The first switchable battery module is preferably connected at about 60% state of charge of the main battery. The second switchable battery module is preferably connected at about 35% state of charge value of the main battery. The third switchable battery module is preferably connected at about 21% state of charge value of the main battery. Such or similar graduations of the nominal capacities of the switchable battery modules allow better utilization of the removable capacities of the switchable battery modules.

5 zeigt ein beispielhaftes Diagramm, das schematisch den Verlauf der Batteriespannung bei veränderlichem Ladezustandswert (SoC) für Batterien aus 12s1p-Batteriemodulen mit Lithiumionenzellen darstellt, deren Zellspannung je nach Ladezustand zwischen 3,0 und 4,2 V variiert, so dass die Spannung eines 12s1p-Batteriemoduls zwischen 36 V und 50,4 V variiert. Die der 5 entnehmbaren Werte und die Batterieparamater, auf denen diese beruht, sind rein beispielhaft zu verstehen. 5 und die dort angegeben Werte wurden durch eine Simulation bestimmt, um lediglich Prinzipien der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichen und Ihre Wirkung anhand beispielhafter Zahlen zu demonstrieren. Die angeben Zahlen können in realen Batteriesystem auch anders aussehen. 5 Fig. 12 is an exemplary diagram schematically showing the variation of the battery state of charge (SoC) value for batteries of lithium ion cell 12s1p battery modules whose cell voltage varies between 3.0V and 4.2V depending on the state of charge, so that the voltage of a 12s1p- Battery module varies between 36V and 50.4V. The the 5 removable values and the Batterieparamater on which this is based, are to be understood as exemplary only. 5 and the values given there have been determined by simulation to merely illustrate principles of the present invention and to demonstrate their effect by way of example numbers. The specified numbers can also look different in a real battery system.

Die gepunktete Linie zeigt einen beispielhaften Verlauf der Batteriespannung einer 96s1p-Batterie ohne Bypass. Bei einem Ladezustandswert von 100% (voll geladen) weist die 96s1p-Batterie eine Batteriespannung von 96 × 4,2 V = 403,2 V auf. Die dargestellte Kurve endet knapp unter 400 V, da dem Verbraucher, um die Lebensdauer die Batterie zu erhöhen, nicht die gesamte verfügbare Kapazität von 100% zur Verfügung gestellt wird, sondern lediglich eine leicht verringerte Kapazität, hier etwa 95%. Wird der Batterie nun Leistung entnommen, sinkt der Ladezustandswert auf einen minimalen Wert von etwa 18% ab. Um die Lebensdauer der Batterie zu erhöhen, wird eine volle Entnahme der verfügbaren Kapazität verhindert. Die Batteriespannung sinkt linear mit abnehmendem Ladezustandswert auf etwa 290 V ab. Für diesen Fall der 96s1p-Batterie wurde in einer Simulation ein nutzbarer Energiegehalt von 8617 Wh ermittelt. The dotted line shows an example of the battery voltage of a 96s1p battery without a bypass. At 100% state of charge (fully charged), the 96s1p battery has a battery voltage of 96 × 4.2V = 403.2V. The curve shown ends just below 400 V, because the consumer is not provided with the total available capacity of 100% to increase the life of the battery, but only a slightly reduced capacity, here about 95%. When power is removed from the battery, the charge state value drops to a minimum value of about 18%. To increase the life of the battery, a full removal of the available capacity is prevented. The battery voltage drops linearly with decreasing state of charge value to about 290V. For this case of the 96s1p battery, a usable energy content of 8617 Wh was determined in a simulation.

Die fett gestrichelte, zur gepunkteten parallel liegende Linie zeigt den Verlauf der Batteriespannung einer 108s1p-Batterie ohne Bypass. Bei einem Ladezustandswert von 100% (voll geladen) weist die 108s1p-Batterie eine Batteriespannung von 108 × 4,2 V = 453,6 V auf, die leicht über der Spannungsgrenze der Leistungselektronik von 455 V liegt. Dem Verbraucher werden deshalb nur etwa 88% der nominalen Kapazität der 108s1p-Batterie zur Verfügung gestellt, so dass die Batteriespannung nicht über 445 V steigt. Wird der Batterie Leistung entnommen, sinkt der Ladezustandswert auf einen minimalen Wert von etwa 18% ab. Die Batteriespannung sinkt linear mit abnehmendem Ladezustandswert auf etwa 330 V ab. Für diesen Fall der 108s1p-Batterie wurde in einer Simulation ein nutzbarer Energiegehalt von 9189 Wh ermittelt. Die Kapazität der 108s1p-Batterie kann aufgrund der Beschränkungen durch die Grenzspannung der Leistungselektronik und wegen der Vermeidung der maximalen Aufladung der Batterie nicht optimal genutzt werden. The bold-dashed, dotted parallel line shows the course of the battery voltage of a 108s1p battery without a bypass. At 100% state of charge (fully charged), the 108s1p battery has a battery voltage of 108 × 4.2V = 453.6V, which is slightly above the power electronics voltage limit of 455V. Therefore, only about 88% of the nominal capacity of the 108s1p battery is provided to the load so that the battery voltage does not rise above 445V. When power is removed from the battery, the state of charge value drops to a minimum value of about 18%. The battery voltage drops linearly with decreasing state of charge value to about 330V. For this case of the 108s1p battery, a usable energy content of 9189 Wh was determined in a simulation. The capacity of the 108s1p battery can not be used optimally due to the limitations of the power electronics limit voltage and to avoid maximum charging of the battery.

Die schwach gestrichelte Linie zeigt den Verlauf der Batteriespannung einer 120s1p-Batterie ohne Bypass. Bei einem Ladezustandswert von 100% (voll geladen) würde die 120s1p-Batterie eine Batteriespannung von 120 × 4,2 V = 504 V aufweisen, die deutlich über der Spannungsgrenze der Leistungselektronik liegt. Die 120s1p-Batterie kann deshalb nicht voll geladen werden. Dem Verbraucher können nur etwa 61% der nominalen Kapazität der Batterie zur Verfügung gestellt werden. Wird der Batterie Leistung entnommen, sinkt der Ladezustandswert auf einen minimalen Wert von etwa 18% ab. Die Batteriespannung sinkt linear mit abnehmendem Ladezustandswert auf etwa 365 V ab. Für diesen Fall der 120s1p-Batterie wurde in einer Simulation ein nutzbarer Energiegehalt von nur 5967 Wh ermittelt. Die Kapazität der 120s1p-Batterie kann aufgrund der Beschränkungen durch die Grenzspannung der Leistungselektronik demnach nur sehr schlecht ausgenutzt werden. The faint dashed line shows the course of the battery voltage of a 120s1p battery without bypass. At 100% state of charge (fully charged), the 120s1p battery would have a battery voltage of 120 x 4.2V = 504V, well above the voltage limit of the power electronics. Therefore, the 120s1p battery can not be fully charged. Only about 61% of the nominal capacity of the battery can be made available to the consumer. When power is removed from the battery, the state of charge value drops to a minimum value of about 18%. The battery voltage drops linearly with decreasing state of charge value to about 365V. For this case of the 120s1p battery, a usable energy content of only 5967 Wh was determined in a simulation. The capacity of the 120s1p battery can therefore be exploited only very poorly due to the limitations of the voltage limit voltage.

Die gestrichelt-gepunktete Linie zeigt den Verlauf der Batteriespannung einer 120s1p-Batterie, wobei eines der 12s1p-Batteriemodul mittels Bypass ausgenommen werden kann und mittels der Steuereinheit bei Bedarf hinzugeschaltet werden kann. Bei einem hohen Ladezustandswert von über 61% ist das zuschaltbare Batteriemodul nicht zugeschaltet, so dass die Spannung der 120s1p-Batterie der einer 108s1p-Batterie ohne Bypass entspricht und unter der Grenzspannung von 445 V der Leistungselektronik bleibt. Die Spannungskurve läuft in diesem Bereich gleich mit der fett gestrichelten Kurve der 108s1p-Batterie ohne Bypass. Bei etwa 61% Ladezustandswert ist die Batteriespannung mit etwa 400 V soweit abgesunken, dass das zuschaltbare 12s1p-Batteriemodul hinzugeschaltet werden kann. Die Batteriespannung steigt dadurch auf etwa 445 V an und liegt damit wieder an der Spannungsgrenze der Leistungselektronik. Mit zunehmender Leistungsentnahme sinkt die Batteriespannung linear mit abnehmendem Ladezustandswert auf etwa 370 V ab. Für diesen Fall der 120s1p-Batterie mit Bypass wurde in einer Simulation ein nutzbarer Energiegehalt von 9830 Wh ermittelt, was deutlich höher ist, als der simulierte nutzbarer Energiegehalt von 5967 Wh einer 120s1p-Batterie ohne Bypass (schwach gestrichelte Linie) und auch höher ist, als der simulierte nutzbarer Energiegehalt von 9189 Wh einer 108s1p-Batterie ohne Bypass (fett gestrichelte Linie). The dashed-dotted line shows the course of the battery voltage of a 120s1p battery, whereby one of the 12s1p battery module can be bypassed and can be connected by means of the control unit if necessary. With a high state of charge greater than 61%, the switchable battery module will not be energized so that the 120s1p battery voltage will be that of a 108s1p battery with no bypass and will remain below the 445V limit of the power electronics. The voltage curve runs in this area equal to the bold dashed curve of the 108s1p battery without bypass. At about 61% state of charge value, the battery voltage has fallen by about 400 V so far that the switchable 12s1p battery module can be connected. The battery voltage thereby rises to about 445 V and is thus again at the voltage limit of the power electronics. With increasing power consumption, the battery voltage drops linearly with decreasing state of charge value to about 370V. In this case, the 120s1p battery with bypass was found to have a usable energy content of 9830 Wh in a simulation, which is significantly higher than the simulated usable energy content of 5967 Wh of a 120s1p battery without a bypass (weak dashed line) and higher, as the simulated usable energy content of 9189 Wh of a 108s1p battery without a bypass (bold dashed line).

Die gestrichelte mit zwei Punkten versehene Linie zeigt den Verlauf der Batteriespannung einer 132s1p-Batterie, wobei zwei 12s1p-Batteriemodule mittels Bypass ausgenommen werden können und mittels der Steuereinheit bei Bedarf hinzugeschaltet werden können. Bei einem hohen Ladezustandswert von über 61% sind die zuschaltbaren Batteriemodul nicht zugeschaltet, so dass die Spannung der 132s1p-Batterie der einer 108s1p-Batterie ohne Bypass entspricht und unter der Grenzspannung von 445 V der Leistungselektronik bleibt. Die Spannungskurve läuft in diesem Bereich gleich mit der fett gestrichelten Kurve der 108s1p-Batterie ohne Bypass. Bei etwa 61% Ladezustandswert ist die Batteriespannung mit etwa 400 V soweit abgesunken, dass eines der zuschaltbaren 12s1p-Batteriemodul hinzugeschaltet werden kann. Die Batteriespannung steigt dadurch auf etwa 445 V an und liegt damit wieder an der Spannungsgrenze der Leistungselektronik. Mit zunehmender Leistungsentnahme sinkt die Batteriespannung wieder linear mit abnehmendem Ladezustandswert ab. Bei einem Ladezustandswert von etwa 35% ist die Batteriespannung wieder soweit abgesunken, dass auch das zweite der zuschaltbaren 12s1p-Batteriemodul hinzugeschaltet werden kann. Die Batteriespannung steigt dadurch wieder auf etwa 445 V an und liegt damit wieder an der Spannungsgrenze der Leistungselektronik. Mit zunehmender Leistungsentnahme sinkt die Batteriespannung schließlich linear mit abnehmendem Ladezustandswert auf einen Schlusswert von etwa 420 V ab. Für diesen Fall der 132s1p-Batterie mit zwei zuschaltbaren Batteriemodulen wurde in einer Simulation ein nutzbarer Energiegehalt von 10090 Wh ermittelt. Dadurch, dass die Batteriespannung auch bei geringen Ladezustandswerten hoch ist, wird der Energiegehalt der Batteriemodule gut ausgenutzt. The dashed two-dot line shows the battery voltage of a 132s1p battery, with two 12s1p battery modules can be bypassed and can be connected by the control unit if necessary. With a high state of charge greater than 61%, the switchable battery module is not powered up so that the voltage of the 132s1p battery is equal to that of a 108s1p battery without bypass and remains below the 445V limit of the power electronics. The voltage curve runs in this area equal to the bold dashed curve of the 108s1p battery without bypass. At about 61% state of charge value, the battery voltage has fallen by about 400 V so that one of the switchable 12s1p battery module can be connected. As a result, the battery voltage rises to about 445 V, which is again at the voltage limit of the power electronics. With increasing power consumption, the battery voltage decreases linearly again with decreasing charge state value. At a state of charge value of about 35%, the battery voltage has fallen again so far that the second of the switchable 12s1p battery module can also be connected. As a result, the battery voltage rises again to about 445 V and is thus again at the voltage limit of the power electronics. As power consumption increases, the battery voltage eventually decreases linearly with decreasing state of charge value to a final value of about 420V. For this case of the 132s1p battery with two switchable battery modules, a usable energy content of 10090 Wh was determined in a simulation. The fact that the battery voltage is high even at low state of charge values, the energy content of the battery modules is well utilized.

In 6 ist ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Steuerung einer wie oben beschrieben Batterie gezeigt. Das Verfahren beginnt bei START. In einem Schritt S10 wird der Ladezustand der an der Bereitstellung des Batteriestromes beteiligten Batteriemodule ermittelt. In einem Schritt S12 wird ermittelt, ob ein Abfall der elektrischen Spannung unter einen vorgegebenen Schwellwert eingetreten ist. Falls dies der Fall ist, wird in einem Schritt S14 wenigstens ein zusätzliches Batteriemodul für die Bereitstellung des Batteriestromes hinzugeschaltet und das Verfahren beginnt wieder bei START. Falls nicht, wird in einem Schritt S16 ermittelt, ob die Batteriespannung eine vorgegebene Grenzspannung überschritten hat. Ist dies der Fall, so wird in einem Schritt S18 wenigstens ein Batteriemodul von der Bereitstellung des Batteriestromes ausgenommen und das Verfahren beginnt wieder bei START. Falls dies nicht der Fall ist, beginnt das Verfahren wieder bei START. In 6 An embodiment of a method for controlling a battery as described above is shown. The procedure starts at START. In a step S10, the state of charge of the battery modules involved in the provision of the battery current is determined. In a step S12 it is determined whether a drop in the electrical voltage has occurred below a predetermined threshold. If this is the case, at least one additional battery module for the provision of the battery current is connected in a step S14 and the method starts again at START. If not, it is determined in a step S16 whether the battery voltage has exceeded a predetermined limit voltage. If this is the case, then in a step S18 at least one battery module is excluded from the provision of the battery current and the method starts again at START. If this is not the case, the procedure starts again at START.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

10 10
Batterie battery
12a–d12a-d
Batteriemodule der Hauptbatterie  Battery modules of the main battery
12e, f 12e, f
zuschaltbare Batteriemodule switchable battery modules
14 14
Spannungsermittlungseinheit Voltage detection unit
16a, b 16a, b
Schalteinheiten switching units
20 20
Datenbus bus
22 22
Steuereinheit control unit
24 24
Hauptbatterie main battery
26 26
Hauptstrompfad der Batterie Main current path of the battery
28 28
Bypass bypass
30 30
Kontaktpunkt contact point
32 32
Kontaktpunkt contact point
34 34
Kontaktpunkt contact point
36 36
Schalthebel gear lever
40 40
Kontaktpunkt contact point
42 42
Kontaktpunkt contact point
44 44
Kontaktpunkt contact point
46 46
MOSFET MOSFET
48 48
MOSFET MOSFET
52 52
Halbleiterdiode Semiconductor diode
54 54
Halbleiterdiode Semiconductor diode

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102011054146 A1 [0004] DE 102011054146 A1 [0004]
  • US 2009/0251100 A1 [0005] US 2009/0251100 A1 [0005]
  • DE 102011002548 A1 [0006] DE 102011002548 A1 [0006]

Claims (10)

Batterie zur Bereitstellung eines Batteriestromes (I), umfassend einen Batteriemodulstrang aus mehreren Batteriemodulen (12a–f), eine Schalteinheit (16a; 16b) mit wenigstens einem ersten und einem zweiten Schaltzustand, wobei im ersten Schaltzustand eine erste Untermenge (12a–d) an Batteriemodulen des Batteriemodulstranges in Reihe geschaltet sind, um an der Bereitstellung des Batteriestromes (I) teilzunehmen, und wobei im zweiten Schaltzustand eine zweite Untermenge (12a–f) an Batteriemodulen des Batteriemodulstranges in Reihe geschaltet sind, um an der Bereitstellung des Batteriestromes (I) teilzunehmen eine Spannungsermittlungseinheit (14) zur Ermittlung der elektrischen Spannung der an der Bereitstellung des Batteriestromes beteiligten Batteriemodule (12a–f); eine Steuereinheit (22), welche dazu eingerichtet ist, die Schalteinheit (16a; 16b) in Abhängigkeit von der ermittelten elektrischen Spannung anzusteuern. Battery for providing a battery current (I), comprising a battery module string of a plurality of battery modules ( 12a -F), a switching unit ( 16a ; 16b ) having at least a first and a second switching state, wherein in the first switching state a first subset ( 12a -D) are connected in series to battery modules of the battery module string in order to participate in the provision of the battery current (I), and wherein in the second switching state a second subset ( 12a -F) are connected in series to battery modules of the battery module string in order to participate in the provision of the battery current (I), a voltage determination unit ( 14 ) for determining the electrical voltage of the battery modules involved in the provision of the battery current ( 12a -f); a control unit ( 22 ), which is adapted to the switching unit ( 16a ; 16b ) in response to the determined electrical voltage. Batterie nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (22) dazu eingerichtet ist, die Schalteinheit (16a) derart anzusteuern, dass im Falle eines Abfalls der elektrischen Spannung unter einen vorgegebenen Schwellwert wenigstens ein zusätzliches Batteriemodul (12e) für die Bereitstellung des Batteriestromes (I) hinzugeschalt wird. A battery according to claim 1, wherein the control unit ( 22 ) is adapted to the switching unit ( 16a ) in such a way that, in the event of a drop in the electrical voltage below a predetermined threshold, at least one additional battery module ( 12e ) is switched on for the provision of the battery current (I). Batterie nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (22) dazu eingerichtet ist, die Schalteinheit (16a) derart anzusteuern, dass im Falle eines Spannungsanstieges über eine vorgegebene Grenzspannung wenigstens ein Batteriemodul (12e) von der Bereitstellung des Batteriestromes (I) ausgenommen wird. Battery according to one of the preceding claims, wherein the control unit ( 22 ) is adapted to the switching unit ( 16a ) in such a way that, in the event of a voltage increase above a predetermined limit voltage, at least one battery module ( 12e ) is excluded from the provision of the battery current (I). Batterie nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend weitere Schalteinheiten (16b) zur selektiven Festlegung von Untermengen an Batteriemodulen (12a–f) des Batteriemodulstranges, die in Reihe geschaltet sind, um an der Bereitstellung des Batteriestromes (I) teilzunehmen. Battery according to one of the preceding claims, further comprising further switching units ( 16b ) for selectively defining subsets of battery modules ( 12a -F) of the battery module string, which are connected in series to participate in the provision of the battery current (I). Batterie nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Untermenge an Batteriemodulen vorbestimmte Batteriemodule (12a–d) enthält, die jeweils eine gemeinsame Grundkapazität aufweisen, und wobei die zweite Untermenge an Batteriemodulen zusätzlich zu den Batteriemodulen (12a–d) der ersten Untermenge an Batteriemodulen wenigstens ein hinzuschaltbares Batteriemodul (12e, f) enthält, das eine Kapazität aufweist, die geringer ist, als die Grundkapazität der Batteriemodule (12a–d) der ersten Untermenge. A battery according to any one of the preceding claims, wherein the first subset of battery modules have predetermined battery modules ( 12a -D), each having a common basic capacity, and wherein the second subset of battery modules in addition to the battery modules ( 12a -D) the first subset of battery modules at least one addable battery module ( 12e , f) having a capacity which is less than the basic capacity of the battery modules ( 12a -D) of the first subset. Batterie nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schalteinheit (22) ein Bistabiles Relais umfasst. Battery according to one of the preceding claims, wherein the switching unit ( 22 ) comprises a bistable relay. Batterie nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schalteinheit (22) einen Halbleiterschalter umfasst. Battery according to one of the preceding claims, wherein the switching unit ( 22 ) comprises a semiconductor switch. Verfahren zur Steuerung einer Batterie, die einen Batteriestrom bereitstellt, die einen Batteriemodulstrang aus mehreren Batteriemodulen (12a–f) umfasst und die eine Schalteinheit (16a) umfasst mit wenigstens einem ersten und einem zweiten Schaltzustand, wobei im ersten Schaltzustand eine erste Untermenge (12a–d) an Batteriemodulen des Batteriemodulstranges in Reihe geschaltet sind, um an der Bereitstellung des Batteriestromes (I) teilzunehmen, und wobei im zweiten Schaltzustand eine zweite Untermenge (12a–f) an Batteriemodulen des Batteriemodulstranges in Reihe geschaltet sind, um an der Bereitstellung des Batteriestromes (I) teilzunehmen, wobei das Verfahren umfasst: Ermitteln der elektrischen Spannung der an der Bereitstellung des Batteriestromes (I) beteiligten Batteriemodule; und Steuern der Schalteinheit (16a) in Abhängigkeit von der ermittelten elektrischen Spannung. A method of controlling a battery that provides a battery current that comprises a battery module string of a plurality of battery modules ( 12a -F) and the one switching unit ( 16a ) comprising at least a first and a second switching state, wherein in the first switching state a first subset ( 12a -D) are connected in series to battery modules of the battery module string in order to participate in the provision of the battery current (I), and wherein in the second switching state a second subset ( 12a F) are connected in series to battery modules of the battery module string to participate in the provision of the battery current (I), the method comprising: determining the electrical voltage of the battery modules involved in providing the battery current (I); and controlling the switching unit ( 16a ) as a function of the determined electrical voltage. Verfahren nach Anspruch 8, das ferner umfasst: Steuern der Schalteinheit (16a) derart, dass im Falle eines Abfalls der elektrischen Spannung unter einen vorgegebenen Schwellwert wenigstens ein zusätzliches Batteriemodul (12e, f) für die Bereitstellung des Batteriestromes (I) hinzugeschalt wird. The method of claim 8, further comprising: controlling the switching unit ( 16a ) such that in the case of a drop in the electrical voltage below a predetermined threshold, at least one additional battery module ( 12e , f) is switched on for the provision of the battery current (I). Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, das ferner umfasst: Steuern der Schalteinheit (16a) derart, dass im Falle eines Spannungsanstieges über eine vorgegebene Grenzspannung wenigstens ein Batteriemodul (12e, f) von der Bereitstellung des Batteriestromes (I) ausgenommen wird. Method according to claim 8 or 9, further comprising: controlling the switching unit ( 16a ) such that in the case of a voltage increase over a predetermined limit voltage at least one battery module ( 12e , f) is excluded from the provision of the battery current (I).
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