DE102015200259A1

DE102015200259A1 - Batteriesystem mit einem oder mehreren Strängen, die jeweils mehrere in Reihe zuschaltbare Batteriemodule umfassen, wobei mindestens ein Batteriemodul jedes Stranges zum Versorgen eines Niedervoltnetzes mit elektrischer Energie vorgesehen ist

Info

Publication number: DE102015200259A1
Application number: DE102015200259.4A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Mader; Alexander Schmidt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-01-12
Filing date: 2015-01-12
Publication date: 2016-07-14

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem (10) mit einem oder mehreren Strängen (15, 16, 17), die jeweils mehrere in Reihe zuschaltbar Batteriemodule umfassen, welche jeweils über eine zugeordnete Schalteinheit dem entsprechenden Strang (15, 16, 17) in mindestens einer Orientierung zuschaltbar sind. Weiterhin umfasst das Batteriesystem (10) eine Gruppe von Auskoppelelementen (70), die in jedem Strang (15, 16, 17) ein Auskoppelelement (71, 72, 73) umfasst, das mit mindestens einem vordefinierten Batteriemodul der Batteriemodule des entsprechenden Stranges (15, 16, 17) über die diesem oder diesen zugeordneten Schalteinheiten verbindbar ist. Bevorzugt koppelt jedes Auskoppelelement (71, 72, 73) eine von dem entsprechenden mindestens einen vordefinierten Batteriemodul über die diesem oder diesen zugeordneten Schalteinheiten an den entsprechenden Strang (15, 16, 17) angelegte Spannung aus und in ein Niedervoltnetz (60) ein, wenn diese einer Versorgungsspannung zum Versorgen des Niedervoltnetzes (60) entspricht. Weiter bevorzugt kann jedes Auskoppelelement (71, 72, 73) eine von dem entsprechenden mindestens einen vordefinierten Batteriemodul über die diesem oder diesen zugeordneten Schalteinheiten an den entsprechenden Strang (15, 16, 17) angelegten Spannung auskoppeln und in ein Niedervoltnetz (60) einkoppeln, wenn diese einer Versorgungsspannung zum Versorgen des Niedervoltnetzes (60) entspricht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem mit mehreren Strängen, die jeweils mehrere in Reihe zuschaltbare Batteriemodule umfassen. Auch betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Versorgen eines Niedervoltnetzes mittels mindestens eines Batteriemoduls eines Batteriesystems mit mehreren Strängen, die jeweils mehrere in Reihe zuschaltbare Batteriemodule umfassen.
Stand der Technik
Mit Hilfe von seriellen Verschaltungen von in Form von elektrochemischen Zellen ausgebildeten Batteriezellen können Batteriesysteme in Form von Hochvolt-Energiespeichern mit großer Kapazität realisiert werden, die beispielsweise für den Antrieb von Elektrofahrzeugen einsetzbar sind. Aufgrund ihrer hohen Energiedichte stellen Lithium-Ionen-Batteriezellen die derzeit bevorzugte Lösung dar.
Exemplarisch sei hier ein Batteriesystem mit integriertem Inverter beschrieben, das mehrere Stränge aufweist, die jeweils mehrere Batteriemodule umfassen. Dabei weist jedes Batteriemodul eine Batteriezelle oder eine Verschaltung von mehreren Batteriezellen auf. Bei einem solchen Batteriesystem mit integriertem Inverter ist zur Variation einer jeden von einem Strang erzeugten Spannung ein schneller Wechsel einer Stromführung erforderlich, infolge derer ein entsprechender Strom durch ein entsprechendes Batteriemodul oder an dem entsprechenden Batteriemodul vorbei fließt. Hierbei werden Batteriezellen beziehungsweise Batteriemodule mit Strömen betrieben, deren Stromführungen Wechsel mit Frequenzen erfahren, die in einem größeren Frequenzbereich liegen, der bis in den Kilohertzbereich hinein reicht. Ein solches Batteriesystem wird auch Batteriesystemen mit Direkt-Inverter genannt. Mittels eines Batteriesystems mit Direkt-Inverter ist eine dreiphasige Ausgangswechselspannung erzeugbar. Im Gegensatz zu einem konventionellen Batteriesystem, das einen Hochvolt-Energiespeicher und einen Zentralinverter umfasst, mittels dem eine von dem Hochvolt-Energiespeicher bereitgestellte Gleichspannung in eine Ausgangswechselspannung des konventionellen Batteriesystems umgewandelt wird, kann bei einem Batteriesystem mit Direkt-Inverter nicht ein einfacher Gleichspannungswandler zur Erzeugung einer Versorgungspannung für ein Niedervoltnetz verwendet werden. Ein solches Niedervoltnetz kann beispielsweise ein 12 V- oder 48 V-Bordnetz eines Fahrzeuges sein. Es stellt sich daher die Frage, wie eine effiziente und kostengünstige Versorgung von Verbrauchern eines Fahrzeuges mit elektrischer Energie erfolgen kann.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Batteriesystem mit einem oder mehreren Strängen bereitgestellt, die jeweils mehrere in Reihe zuschaltbare Batteriemodule umfassen, welche dem entsprechenden Strang in mindestens einer Orientierung zuschaltbar sind. Das Batteriesystem umfasst ferner eine Steuereinheit, welche dazu ausgebildet ist, die Batteriemodule jedes Stranges dem jeweiligen Strang über diesen jeweils zugeordnete Schalteinheiten so zuzuschalten, dass eine der Anzahl der Stränge entsprechende ein- oder mehrphasige Ausgangsspannung des Batteriesystems erzeugt wird. Das Batteriesystem umfasst weiterhin eine Gruppe von Auskoppelelementen, die in jedem Strang ein Auskoppelelement umfasst, das mit mindestens einem vordefinierten Batteriemodul der Batteriemodule des entsprechenden Stranges über die diesem oder diesen zugeordneten Schalteinheiten verbindbar ist. Bevorzugt koppelt jedes Auskoppelelement eine von dem entsprechenden mindestens einen vordefinierten Batteriemodul über die diesem oder diesen zugeordneten Schalteinheiten an den entsprechenden Strang angelegten Spannung aus und in ein Niedervoltnetz ein, wenn diese einer Versorgungsspannung zum Versorgen des Niedervoltnetzes entspricht. Alternativ bevorzugt kann jedes Auskoppelelement eine von dem entsprechenden mindestens einen vordefinierten Batteriemodul über die diesem oder diesen zugeordneten Schalteinheiten an den entsprechenden Strang angelegte Spannung auskoppeln und in ein Niedervoltnetz einkoppeln, wenn diese der Versorgungsspannung zum Versorgen des Niedervoltnetzes entspricht.
Erfindungsgemäß wird ferner ein Verfahren zum Versorgen eines Niedervoltnetzes mittels eines Batteriesystems mit einem oder mehreren Strängen bereitgestellt, die jeweils mehrere in Reihe zuschaltbare Batteriemodule umfassen, welche dem entsprechenden Strang in mindestens einer Orientierung zuschaltbar sind. Das Batteriesystem umfasst ferner eine Steuereinheit, welche dazu ausgebildet ist, die Batteriemodule jedes Stranges dem jeweiligen Strang über diesen jeweils zugeordnete Schalteinheiten so zuzuschalten, dass eine der Anzahl der Stränge entsprechende ein- oder mehrphasige Ausgangsspannung des Batteriesystems erzeugt wird. Bevorzugt erfolgt bei dem Verfahren ein Ermöglichen einer Auskopplung einer von mindestens einem vordefinierten Batteriemodul der Batteriemodule jedes Stranges über die diesem oder diesen zugeordneten Schalteinheiten an den entsprechenden Strang angelegten Spannung und ein Ermöglichen einer Einkopplung dieser in das Niedervoltnetz, wenn die von jedem mindestens einem vordefinierten Batteriemodul an den entsprechenden Strang angelegte Spannung einer Versorgungsspannung zum Versorgen des Niedervoltnetzes entspricht. Weiter bevorzugt erfolgt bei dem Verfahren eine Auskopplung einer von mindestens einem vordefinierten Batteriemodul der Batteriemodule jedes Stranges über die diesem oder diesen zugeordneten Schalteinheiten an den entsprechenden Strang angelegten Spannung und eine Einkopplung dieser in das Niedervoltnetz, wenn die von jedem mindestens einen vordefinierten Batteriemodul an den entsprechenden Strang angelegte Spannung einer Versorgungsspannung zum Versorgen des Niedervoltnetzes entspricht.
Dabei kann die Ausgangsspannung in Form einer Ausgangswechselspannung oder in Form einer Ausgangsgleichspannung erzeugt werden.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Bevorzugt umfasst jedes Batteriemodul mindestens eine Batteriezelle.
Vorzugsweise umfasst das Batteriesystem mindestens eine weitere Gruppe von weiteren Auskoppelelementen, die jeweils in jedem Strang ein weiteres Auskoppelelement umfasst. Dabei ist jede weitere Gruppe von weiteren Auskoppelelementen jeweils einem weiteren Niedervoltnetz zugeordnet. Ferner ist jedem Auskoppelelement einer weiteren Gruppe von weiteren Auskoppelelementen mindestens ein weiteres vordefiniertes Batteriemodul der Batteriemodule des entsprechenden Stranges zugeordnet. Ferner ist die Funktionalität jeder weiteren Gruppe von weiteren Auskoppelelementen bezüglich der dieser zugeordneten weiteren vordefinierten Batteriemodule und des dieser zugeordneten Niedervoltnetzes jeweils gleich mit der zuvor beschriebene Funktionalität der Gruppe von Auskoppelelementen bezüglich der vordefinierten Batteriemodule und des Niedervoltnetzes.
Bevorzugt sind alle Batteriemodule des Batteriesystems gleich untereinander ausgebildet.
Sehr vorteilhaft bei der Erfindung ist, dass mittels jedes Stranges die Versorgungsspannung zum Versorgen des Niedervoltnetzes direkt erzeugbar ist, indem mittels des Auskoppelelementes jedes Stranges ein Abgriff einer von einer geeigneten Anzahl von vordefinierten Batteriemodule erzeugten Spannung durchführbar ist, sodass die Versorgungsspannung direkt mittels der vordefinierten Batteriemodule jedes Stranges bereitstellbar ist. Dadurch werden durch eine Spannungsanpassung hervorgerufene Verluste vermieden. Dadurch, dass die vordefinierten Batteriemodule jedes Stranges über das entsprechende Auskoppelelement zum Versorgen des Niedervoltnetzes mit elektrischer Energie einsetzbar sind, ergeben sich mehrere redundante Möglichkeiten zum Versorgen des Niedervoltnetzes mit elektrischer Energie und dadurch auch eine erhöhe Verfügbarkeit der zum Versorgen des Niedervoltnetzes notwendigen elektrischen Energie.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung legt die Steuereinheit eine an jedem mindestens einen vordefinierten Batteriemodul anliegende Spannung über die diesen zugeordneten Schalteinheiten an den entsprechenden Strang als eine der Versorgungsspannung entsprechende Gleichspannung an, welche über das entsprechende Auskoppelelement ausgekoppelt und direkt in das Niedervoltnetz eingekoppelt wird oder werden kann.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das erfindungsgemäße Batteriesystem einen Trenntransformator, über den die Gruppe von Auskoppelelementen die von dem mindestens einen vordefinierten Batteriemodul an den entsprechenden Strang angelegte und mittels des entsprechenden Auskoppelelements ausgekoppelte Spannung in das Niedervoltnetz einkoppelt. Dabei wandelt die Steuereinheit eine an jedem mindestens einen vordefinierten Batteriemodul anliegende Spannung über die diesen zugeordneten Schalteinheiten in eine an dem entsprechenden Strang anliegende Wechselspannung, welche über das entsprechende Auskoppelelement ausgekoppelt und zum Einkoppeln in das Niedervoltnetz an den Trenntransformator angelegt wird.
Sehr vorteilhaft bei der Erfindung ist, dass eine Erzeugung der Wechselspannung für den Trenntransformator mittels der üblichen Schalteinheiten des Batteriesystems durchführbar ist, ohne dass zusätzliche Schalter verwendet werden müssen.
Bevorzugt schaltet die Steuereinheit durch Batteriemodule des jeweiligen Stranges, von denen nicht die in das Niedervoltnetz eingekoppelte Spannung bereitgestellt wird, eine der in das Niedervoltnetz eingekoppelten Spannung entsprechende Gegenspannung in den jeweiligen Strang.
Weiter bevorzugt verschiebt die Steuereinheit bei einer vorbestimmten Orientierung der Ausgangsspannung eines Stranges durch Ansteuerung der Schalteinheiten der Batteriemodule des entsprechenden Stranges Ladung von den nicht vordefinierten Batteriemodulen in die vordefinierten Batteriemodule. Dies geschieht immer dann, wenn die vordefinierten Batteriemodule in einer zu der vorbestimmten Orientierung entgegengesetzten Orientierung dem entsprechenden Strang zugeschaltet sind.
Vorzugsweise wird ein Elektromotor mittels der in Form einer oder mehrphasigen Ausgangswechselspannung erzeugten mehrphasigen Ausgangsspannung des erfindungsgemäßen Batteriesystems betrieben. Sehr vorteilhaft bei der Erfindung ist, dass durch eine geeignete Ansteuerung der den Batteriemodulen des Batteriesystems zugeordneten Schalteinheiten eine gleichzeitige Versorgung des Elektromotors und des Niedervoltnetzes sichergestellt werden kann und bevorzugt auch ein Ladungszustandsausgleich zwischen Ladezuständen von unterschiedlich belasteten Batteriemodulen des Batteriesystems realisierbar ist. Dadurch können unterschiedliche Belastungssituationen, wie beispielsweise im Winter und im Sommer auftretende Belastungssituationen, jeweils optimal gehandhabt werden. Durch ein selektives Belasten von Batteriemodulen und durch eine Ladungsverschiebung zwischen Batteriemodulen eines jeden Stranges kann eine gesamte Ladung des erfindungsgemäßen Batteriesystems in einem gewünschten Verhältnis zwischen den nicht definierten Batteriemodulen und den vordefinierten Batteriemodulen aufgeteilt werden. Dafür sind keine expliziten Umladungsszeiten erforderlich.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Batteriesystem.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. Bis auf Ausnahmen, die explizit eingeführt und erläutert werden, werden für gleiche Komponenten und Parameter jeweils gleiche Bezugszeichen verwendet. Jede Komponente und jeder Parameter werden jeweils einmalig eingeführt und bei Wiederholung jeweils als schon bekannt behandelt, unabhängig davon, auf welche Zeichnung oder auf welches Ausführungsbeispiel sich ein jeweils entsprechender Beschreibungsteil, in dem die entsprechende Komponente oder der entsprechende Parameter wiederholt vorkommt, bezieht. In den Zeichnungen ist:
1 eine Anordnung mit einem Batteriesystem nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung und einem mittels des Batteriesystems mit elektrischer Energie zu versorgenden Niedervoltnetz,
2 mehrere jeweils in Abhängigkeit von einer Zeit dargestellte Verläufe von Ausgangswechselspannungen, die jeweils mittels eines anderen Stranges des Batteriesystems der in der 1 dargestellten Anordnung in Zusammenhang mit einer ersten konkreten Realisierung dieser Anordnung erzeugt werden, und
3 mehrere jeweils in Abhängigkeit von einer Zeit dargestellte Verläufe von Ausgangswechselspannungen, die jeweils mittels eines anderen Stranges des Batteriesystems der in der 1 dargestellten Anordnung in Zusammenhang mit einer zweiten konkreten Realisierung dieser Anordnung erzeugt werden.
Ausführungsform der Erfindung
1 zeigt eine Anordnung mit einem nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung ausgebildeten Batteriesystem 10 mit integriertem Inverter. Das Batteriesystem 10 umfasst einen ersten Strang 15, einen zweiten Strang 16 und einen dritten Strang 17. Jeder Strang 15, 16, 17 umfasst mehrere Batteriemoduleinrichtungen 20, die jeweils ein Batteriemodul (nicht getrennt dargestellt) und eine diesem Batteriemodul zugeordnete und mittels einer Steuereinheit 30 des Batteriesystems 10 ansteuerbare Schalteinheit (nicht getrennt dargestellt) aufweisen. Jedes Batteriemodul umfasst mindestens eine Batteriezelle (nicht dargestellt). Die Batteriemodule des Batteriesystems 10 sind gleich untereinander ausgebildet. Jede Schalteinheit ist dazu ausgebildet, das dieser zugeordnete Batteriemodul über jeweils zwei diesem zugeordnete Anschlüsse 21, 22 zu überbrücken und dem entsprechenden Strang 15, 16, 17 in negativer Orientierung oder in positiver Orientierung zuzuschalten. Ferner ist die Steuereinheit 30 dazu ausgebildet, die Schalteinheiten jedes Stranges 15, 16, 17 derartig anzusteuern, dass die Batteriemodule jedes Stranges 15, 16, 17 jeweils eine diesem zugeordnete Ausgangswechselspannung einer dreiphasigen Ausgangswechselspannung des Batteriesystems 10 erzeugen. Dabei entspricht die von dem ersten Strang 15 erzeugte Ausgangswechselspannung einer ersten Phase der Ausgangswechselspannung des Batteriesystems 10. Ferner entspricht die von dem zweiten Strang 16 erzeugte Ausgangswechselspannung einer zweiten Phase der Ausgangswechselspannung des Batteriesystems 10. Auch entspricht die von dem dritten Strang 17 erzeugte Ausgangswechselspannung einer dritten Phase der Ausgangswechselspannung des Batteriesystems 10. Zur Erzeugung der jedem Strang 15, 16, 17 zugeordneten Ausgangswechselspannung werden dem entsprechenden Strang 15, 16, 17 eine zeitveränderliche Anzahl von Batteriemodulen des entsprechenden Stranges 15, 16, 17 in mindestens einer Orientierung zugeschaltet und die restlichen Batteriemodule des entsprechenden Stranges 15, 16, 17 überbrückt. Die drei Stränge 15, 16, 17 sind an einem Ende jeweils mit Masse 40 verbunden und an einem anderen Ende jeweils mit einem Elektromotor 50 derartig verbunden, dass der Elektromotor 50 mittels der dreiphasigen Ausgangswechselspannung des Batteriesystems 10 betrieben werden kann. Jede Schalteinheit ist bevorzugt als H-Brücke aus mehreren mittels der Steuereinheit 30 ansteuerbaren Leistungshalbleiterschaltern ausgebildet. Zur Vereinfachung der Darstellung wurde pro Strang 15, 16, 17 nur diejenige Batteriemoduleinrichtung 20 mit dem entsprechenden Bezugszeichen versehen, die direkt mit dem Elektromotor 50 verbunden ist. Aus dem gleichen Grund wurden pro Strang 15, 16, 17 auch nur diejenigen zwei Anschlüsse 21, 22 mit den entsprechenden Bezugszeichen versehen, die demjenigen Batteriemodul zugeordnet sind, das in der mit dem Elektromotor 50 direkt verbundenen Batteriemoduleinrichtung 20 des entsprechenden Stranges 15, 16, 17 angeordnet ist. Ferner umfasst jeder Strang 15, 16, 17 ein als Versorgungseinheit verwendbares Batteriemodul, das ein vordefiniertes Batteriemodul der Batteriemodule des entsprechenden Stranges 15, 16, 17 ist und mittels dem eine Versorgungsspannung zum Versorgen eines Niedervoltnetzes 60 bereitstellbar ist. Dabei ist das als Versorgungseinheit verwendbare Batteriemodul jedes Stranges 15, 16, 17 direkt mit der Masse 40 verbunden und bildet zusammen mit der diesem zugeordneten Schalteinheit eine folglich auch direkt mit der Masse 40 verbundene Versorgungseinrichtung 23 des entsprechenden Stranges 15, 16, 17 aus. Die zwei Anschlüsse, die dem als Versorgungseinheit verwendbaren Batteriemodul jedes Stranges 15, 16, 17 zugeordnet sind, werden jeweils als Versorgungsanschlüsse 24, 25 bezeichnet.
Das Niedervoltnetz 60 ist bevorzugt ein in einem Fahrzeug eingesetztes Bordnetz mit Karosseriemasse. Das Niedervoltnetz 60 bildet ein Teil der in der 1 dargestellten Anordnung.
Wenn keine galvanische Trennung des Batteriesystems 10 und des Niedervoltnetzes 60 erforderlich ist, wird das Niedervoltnetz 60 mit der an dem Niedervoltnetz 60 anliegenden und in Form einer Gleichspannung erzeugten Versorgungsspannung versorgt.
Wenn eine galvanische Trennung des Batteriesystems 10 und des Niedervoltnetzes 60 erforderlich ist, ist das Niedervoltnetz 60 mit einem Trenntransformator 65 verbunden. Der Trenntransformator 65 muss mit einer Wechselspannung versorgt werden. Das Niedervoltnetz 60 wird dann mittels der an dem Trenntransformator 65 anliegenden und in Form der Wechselspannung erzeugten Versorgungsspannung versorgt. Der Vollständigkeit halber ist in der 1 auch der Trenntransformator 65 als Teil der in der 1 dargestellten Anordnung gezeigt.
Ferner ist die Steuereinheit 30 dazu ausgebildet, die der Versorgungseinheit jedes Stranges 15, 16, 17 zugeordnete Schalteinheit derartig anzusteuern, dass die Versorgungseinheit jedes Stranges 15, 16, 17 zwischen den zwei dieser zugeordneten Versorgungsanschlüssen 24, 25 die Versorgungsspannung in Form der Gleichspannung für das Niedervoltnetz 60 oder in Form der Wechselspannung für den Trenntransformator 65 bereitstellt. Bevorzugt wird die Gleichspannung für das Niedervoltnetz 60 von der Versorgungseinheit jedes Stranges 15, 16, 17 zwischen den dieser zugeordneten Versorgungsanschlüssen 24, 25 bereitgestellt, indem das vordefinierte Batteriemodul der Versorgungseinheit des entsprechenden Stranges 15, 16, 17 in positiver Orientierung dem entsprechenden Strang 15, 16, 17 zugeschaltet wird. Weiter bevorzugt erfolgt eine Erzeugung der Versorgungsspannung in Form der Wechselspannung für den Trenntransformator 65 direkt über die der Versorgungeinheit jedes Stranges 15, 16, 17 zugeordnete Schalteinheit und nicht über zusätzlich in dem Batteriesystem 10 implementierte Schalter.
Das Batteriesystem 10 umfasst weiterhin eine Gruppe von Auskoppelelementen 70 mit einem ersten Auskoppelement 71, das in dem ersten Strang angeordnet ist, einem zweiten Auskoppelelement 72, das in dem zweiten Strang 16 angeordnet ist, und einem dritten Auskoppelelement 73, das in dem dritten Strang 17 angeordnet ist. Jedes Auskoppelelement 71, 72, 73 kann als Diode oder als entsprechend mittels der Steuereinheit 30 ansteuerbarer Leistungshalbleiterschalter ausgebildet sein.
Bevorzugt ist das Auskoppelelement 71, 72, 73 jedes Stranges 15, 16, 17 dazu ausgebildet, die der Versorgungseinheit des entsprechenden Stranges 15, 16, 17 zugeordneten Versorgungsanschlüsse 24, 25 bei Vorliegen der Gleichspannung für das Niedervoltnetz 60 direkt mit dem Niedervoltnetz 60 zu verbinden und sonst direkt von dem Niedervoltnetz 60 zu trennen.
Weiter bevorzugt ist das Auskoppelelement 71, 72, 73 jedes Stranges 15, 16, 17 dazu ausgebildet, die die der Versorgungseinheit des entsprechenden Stranges 15, 16, 17 zugeordneten Versorgungsanschlüsse 24, 25 bei Vorliegen der Wechselspannung für den Trenntransformator 65 mit dem Trenntransformator 65 und dadurch auch mit dem Niedervoltnetz 60 zu verbinden und sonst von dem Trenntransformator 65 und dadurch auch von dem Niedervoltnetz zu trennen.
Auch kann jedes beliebige Batteriemodul 20 jedes Stranges 15, 16, 17, das sich jeweils von dem vordefinierten Batteriemodul der Versorgungseinheit des entsprechenden Stranges 15, 16, 17 unterscheidet und nicht zur Erzeugung der momentanen Ausgangswechselspannung des entsprechenden Stranges 15, 16, 17 eingesetzt werden muss, als Kompensationseinheit verwendet werden, mittels der jeweils eine zu der Versorgungsspannung entgegengesetzte Kompensationsspannung bereitstellbar ist. Die Kompensationseinheit jedes Stranges 15, 16, 17 zusammen mit der dieser zugeordneten Schalteinheit bilden eine Kompensationseinrichtung 26 aus. In der 1 wurde zu Erklärungszwecken diejenige Batteriemoduleinrichtung jedes Stranges 15, 16, 17, die jeweils direkt mit der Versorgungseinrichtung 23 des entsprechenden Stranges 15, 16, 17 verbunden ist, beispielhaft als die Kompensationseinrichtung 26 des entsprechenden Stranges 15, 16, 17 dargestellt und mit dem entsprechenden Bezugszeichen versehen. Die zwei Anschlüsse, die dem Batteriemodul der Kompensationseinheit jedes Stranges 15, 16, 17 zugeordnet sind, werden jeweils als Kompensationsanschlüsse 27, 28 bezeichnet.
Ist das vordefinierte Batteriemodul jeder Versorgungseinheit zur Erzeugung der zuvor definierten Gleichspannung für das Niedervoltnetz 60 in positiver Orientierung dem entsprechenden Strang 15, 16, 17 zuzuschalten, so kann jede Versorgungseinheit das Niedervoltnetz 60 immer dann versorgen, wenn die dem entsprechenden Strang 15, 16, 17 zugeordnete Ausgangswechselspannung zum Betreiben des Elektromototors 50 einen negativen momentanen Spannungswert aufweist, dessen Betrag nicht zu groß ist. Weist die jedem Strang 15, 16, 17 zugeordnete Ausgangswechselspannung zum Betreiben des Elektromototors 50 einen negativen momentanen Spannungswert auf, dessen Betrag relativ groß ist, so müssen alle Batteriemodule des entsprechenden Stranges 15, 16, 17, das heißt, auch das vordefinierte Batteriemodul der Versorgungseinheit des entsprechenden Stranges 15, 16, 17, in negativer Orientierung dem entsprechenden Strang 15, 16, 17 zugeschaltet werden. Diese Situation ist nur bei einem Strang der drei Stränge 15, 16, 17 gleichzeitig zu erwarten, sodass das Niedervoltnetz 60 je nach Größe der Versorgungsspannung gleichzeitig mittels eines Stranges oder sogar mittels zwei Stränge der drei Stränge 15, 16, 17 mit elektrischer Energie versorgt werden kann.
Ist eine galvanische Trennung zwischen dem Batteriesystem 10 und dem Niedervoltnetz 60 erforderlich, so kann jeder Strang 15, 16, 17 die Wechselspannung für den Trenntransformator 65 immer dann erzeugen, wenn die dem entsprechenden Strang 15, 16, 17 zugeordnete Ausgangswechselspannung zum Betreiben des Elektromototors 50 einen momentanen Spannungswert annimmt, dessen Betrag nicht zu groß ist. Aufgrund der Erzeugung der Wechselspannung für den Trenntransformator 65 mittels der Versorgungseinheit jedes Stranges 15, 16, 17 würde die dem entsprechenden Strang 15, 16, 17 zugeordnete Ausgangswechselspannung zum Betreiben des Elektromotors 50 von einem gewünschten Verlauf abweichen. Eine Kompensation eines solchen Effekts erfolgt durch eine gegengleiche Schaltung eines beliebigen Batteriemoduls desjenigen Stranges 15, 16, 17, dessen Versorgungseinheit die Versorgungsspannung in Form der Wechselspannung für den Trenntransformator 65 momentan erzeugt. Dabei unterscheidet sich das gegengeschaltete Batteriemodul des entsprechenden Stranges 15, 16, 17 von dem vordefinierten Batteriemodule der Versorgungseinheit des entsprechenden Stranges 15, 16, 17. Ferner bildet das gegengeschaltete Batteriemodul des entsprechenden Stranges 15, 16, 17 die momentan ausgewählte Kompensationseinheit des entsprechenden Stranges 15 16, 17 aus und stellt zwischen den dieser zugeordneten Kompensationsanschlüssen 27, 28 eine der von der Versorgungseinheit des entsprechenden Stranges 15, 16, 17 erzeugten Wechselspannung für den Trenntransformator 65 entsprechende Gegenspannung bereit. Folglich stellen die verbleibenden Batteriemodule jedes Stranges 15, 16, 17, die sich jeweils von der Versorgungseinheit und von der momentan ausgewählten Kompensationseinheit des entsprechenden Stranges 15, 16, 17 unterscheiden, die von dem entsprechenden Strang 15, 16, 17 zu erzeugende Ausgangswechselspannung zum Betreiben des Elektromotors 50 bereit. Jeder Strang 15, 16, 17, mittels dem eine Ausgangswechselspannung zum Betreiben des Elektromotors 50 zu erzeugen ist, deren momentaner Spannungswert einen relativ großen Betrag aufweist, wird nicht zum Versorgen des Niedervoltnetzes 60 mit elektrischer Energie herangezogen. Eine Auswahl der Kompensationseinheit jedes Stranges 15, 16, 17 würde vorteilhafterweise so erfolgen, dass ein überdurchschnittlich entladenes Batteriemodul des entsprechenden Stranges 15, 16, 17 von den anderen Batteriemodule des entsprechenden Strangs 15, 16, 17 nachgeladen wird.
Die Mehrbelastung einzelner Batteriemodule des Batteriesystems 10 mit integriertem Inverter wird bei einer jeden Betriebsstrategie dieses Batteriesystems 10 berücksichtigt. Dabei wird das vordefinierte Batteriemodul der Versorgungseinheit jedes Stranges 15, 16, 17 des Batteriesystems 10 möglichst selten nur zum Betreiben des Elektromotors 50 und nicht zur gleichzeitigen Versorgung des Niedervoltnetzes 60 herangezogen, da jedes solches Batteriemodul durch die Versorgung des Niedervoltnetzes 60 bereits stärker belastet ist. Durch geschickte Ansteuerung der Schalteinheiten der Batteriemodule des Batteriesystems 10 kann in jedem Strang 15, 16, 17 bei negativer zugeordneter Ausgangswechselspannung eine Verschiebung von Ladung von den nicht vordefinierten Batteriemodulen des entsprechenden Stranges 15, 16, 17 in das vordefinierte Batteriemodul der entsprechenden Versorgungseinheit erfolgen. In der 1 wird die Tatsache, dass sowohl alle Schalteinheiten des Batteriesystems 10 und bevorzugt auch die Auskoppelelemente 71, 72, 73 mittels der Steuereinheit 30 ansteuerbar sind, mit Pfeilen angedeutet.
Die Darstellung aus der 2 bezieht sich auf eine erste konkrete Realisierung der in der 1 dargestellten Anordnung. Die Darstellung aus der 3 bezieht sich auf eine zweite konkrete Realisierung der in der 1 dargestellten Anordnung. Bei jeder Realisierung erzeugt jeder Strang 15, 16, 17 des Batteriesystems 10 eine diesem zugeordnete Ausgangswechselspannung zum Betreiben des Elektromotors 50, die Spannungswerte annimmt, die jeweils größer als oder gleich mit einem negativen minimalen Spannungswert SN0 von –180 V sind und kleiner als oder gleich mit einem positiven maximalen Spannungswert SP0 von +180 V sind. 2 und 3 zeigen jeweils einen ersten in Abhängigkeit von einer Zeit t dargestellten Verlauf W1 der von dem ersten Strang 15 erzeugten Ausgangswechselspannung, einen zweiten in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellten Verlauf W2 der von dem zweiten Strang 16 erzeugten Ausgangswechselspannung und einen dritten Verlauf W3 der von dem dritten Strang 17 erzeugten Ausgangswechselspannung. Bei jeder Realisierung stellen die drei Verläufe W1, W2, W3 der Ausgangswechselspannungen der drei Stränge 15, 16, 17 insgesamt einen Verlauf AW der dreiphasigen Ausgangswechselspannung des Batteriesystems 10 dar. Dabei ist mit W diejenige Achse bezeichnet, die mögliche Spannungswerte darstellt.
Bei der ersten Realisierung benötigt der Trenntransformator 65, über den das Niedervoltnetz 60 mit elektrischer Energie versorgt wird, eine erste Wechselspannung, die aus einer ersten Gleichspannung von 14 V erzeugbar ist. Das bedeutet, dass bei der ersten Realisierung die erste Gleichspannung von 14 V an dem vordefinierten Batteriemodul der Versorgungseinheit jedes Stranges 15, 16, 17 anliegt und über die der Versorgungseinheit jedes Stranges 15, 16, 17 zugeordnete Schalteinheit in die erste Wechselspannung für den Trenntransformator 65 umgewandelt werden kann.
Bei der zweiten Realisierung benötigt der Trenntransformator 65, über den das Niedervoltnetzes 60 mit elektrischer Energie versorgt wird, eine zweite Wechselspannung, die aus einer zweiten Gleichspannung von 45 V erzeugbar ist. Das bedeutet, dass bei der zweiten Realisierung die zweite Gleichspannung von 45 V an dem vordefinierten Batteriemodul der Versorgungseinheit jedes Stranges 15, 16, 17 anliegt und über die der Versorgungseinheit jedes Stranges 15, 16, 17 zugeordneten Schalteinheit in die zweite Wechselspannung für den Trenntransformator 65 umgewandelt werden kann.
Bei jeder Realisierung wird zur Erzeugung der Wechselspannung für den Trenntransformator 65 jeweils ein Strang 15, 16, 17 ausgewählt, dessen momentane Ausgangswechselspannung W1, W2, W3 zum Betreiben des Elektromotors 50 ohne Verwendung des vordefinierten Batteriemoduls seiner Versorgungseinheit und auch ohne Verwendung mindestens eines nicht vordefinierten und jeweils als Kompensationseinheit auswählbare Batteriemoduls seiner Batteriemodule erzeugbar ist. Das bedeutet, dass bei jeder Realisierung zur Erzeugung der Wechselspannung für den Trenntransformator 65 jeweils ein Strang 15, 16, 17 ausgewählt wird, dessen momentane Ausgangswechselspannung W1, W2, W3 zum Betreiben des Elektromotors 50 ohne Verwendung von mindestens zwei Batteriemodulen seiner Batteriemodule erzeugbar ist. Das bedeutet ferner, dass bei jeder Realisierung zur Erzeugung der Wechselspannung für den Trenntransformator 65 jeweils ein Strang 15, 16, 17 ausgewählt wird, in den auch eine der Wechselspannung für den Trenntransformator 65 entsprechende Gegenspannung schaltbar ist.
Das bedeutet, dass bei der ersten Realisierung jeder zur Erzeugung der ersten Wechselspannung für den Trenntransformator 65 auswählbare Strang 15, 16, 17 eine momentane Ausgangswechselspannung W1, W2, W3 zum Betreiben des Elektromotors 50 erzeugt, deren Spannungswert einen negativen ersten Spannungswert SN1 von –152 V nicht unterschreitet und einen positiven zweiten Spannungswert SP1 von +152 V nicht überschreitet. Aus der 2 ist ersichtlich, das zu einem jedem Zeitpunkt jeweils zwei Stränge der drei Stränge 15, 16, 17 zur Erzeugung der ersten Wechselspannung für den Trenntransformator 65 auswählbar sind.
Das bedeutet ferner, dass bei der zweiten Realisierung jeder zur Erzeugung der zweiten Wechselspannung für den Trenntransformator 65 auswählbare Strang 15, 16, 17 eine momentane Ausgangswechselspannung W1, W2, W3 zum Betreiben des Elektromotors 50 erzeugt, deren Spannungswert einen negativen ersten Spannungswert SN1 von –90 V nicht unterschreitet und einen positiven zweiten Spannungswert SP1 von +90 V nicht überschreitet. Aus der 3 ist ersichtlich, das zu einem jedem Zeitpunkt jeweils ein einzelner Strang der drei Stränge 15, 16, 17 zur Erzeugung der zweiten Wechselspannung für den Trenntransformator 65 auswählbar ist.
Neben der voranstehenden schriftlichen Offenbarung wird hiermit zur weiteren Offenbarung der Erfindung ergänzend auf die Darstellung in den 1 bis 3 Bezug genommen.

Claims

Batteriesystem (10) mit einem oder mehreren Strängen (15, 16, 17), die jeweils mehrere in Reihe zuschaltbare Batteriemodule umfassen, welche dem entsprechenden Strang (15, 16, 17) in mindestens einer Orientierung zuschaltbar sind, und einer Steuereinheit (30), welche dazu ausgebildet ist, die Batteriemodule jedes Stranges (15, 16, 17) dem jeweiligen Strang (15, 16, 17) über diesen jeweils zugeordnete Schalteinheiten so zuzuschalten, dass eine der Anzahl der Stränge (15, 16, 17) entsprechende ein- oder mehrphasige Ausgangsspannung (AW) des Batteriesystems (10) erzeugt wird, gekennzeichnet durch eine Gruppe von Auskoppelelementen (70), die in jedem Strang (15, 16, 17) ein Auskoppelelement (71, 72, 73) umfasst, das mit mindestens einem vordefinierten Batteriemodul der Batteriemodule des entsprechenden Stranges (15, 16, 17) über die diesem oder diesen zugeordneten Schalteinheiten verbindbar ist und eine von dem entsprechenden mindestens einen vordefinierten Batteriemodul über die diesem oder diesen zugeordneten Schalteinheiten an den entsprechenden Strang (15, 16, 17) angelegte Spannung auskoppelt und in ein Niedervoltnetz (60) einkoppelt, wenn diese einer Versorgungsspannung zum Versorgen des Niedervoltnetzes (60) entspricht, oder diese Spannung auskoppeln und in das Niedervoltnetz (60) einkoppeln kann, wenn diese der Versorgungsspannung zum Versorgen des Niedervoltnetzes (60) entspricht.
Batteriesystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) eine an jedem mindestens einen vordefinierten Batteriemodul anliegende Spannung über die diesen zugeordneten Schalteinheiten an den entsprechenden Strang (15, 16, 17) als eine der Versorgungsspannung entsprechende Gleichspannung anlegt, welche über das entsprechende Auskoppelelement (71, 72, 73) ausgekoppelt und direkt in das Niedervoltnetz (60) eingekoppelt wird oder werden kann.
Batteriesystem (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Trenntransformator (65), über den die Gruppe von Auskoppelelementen (70) die von dem mindestens einem vordefinierten Batteriemodul an den entsprechenden Strang (15, 16, 17) angelegte und mittels des entsprechenden Auskoppelelementes (71, 72, 73) ausgekoppelte Spannung in das Niedervoltnetz (60) einkoppelt, wobei die Steuereinheit (30) eine an jedem mindestens einen vordefinierten Batteriemodul anliegende Spannung über die diesen zugeordneten Schalteinheiten in eine an dem entsprechenden Strang (15, 16, 17) anliegende Wechselspannung wandelt, welche über das entsprechende Auskoppelelement (71, 72, 73) ausgekoppelt und zum Einkoppeln in das Niedervoltnetz (60) an den Trenntransformator (65) angelegt wird.
Batteriesystem (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) durch Batteriemodule des jeweiligen Stranges (15, 16, 17), von denen nicht die in das Niedervoltnetz (60) eingekoppelte Spannung bereitgestellt wird, eine der in das Niedervoltnetz (60) eingekoppelten Spannung entsprechende Gegenspannung in den jeweiligen Strang (15, 16, 17) schaltet.
Batteriesystem (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) bei einer vorbestimmten Orientierung der Ausgangsspannung (W1, W2, W3) eines Stranges (15, 16, 17) durch Ansteuerung der Schalteinheiten der Batteriemodule des entsprechenden Stranges (15, 16, 17) Ladung von den nicht vordefinierten Batteriemodulen in die vordefinierten Batteriemodule verschiebt, wenn die vordefinierten Batteriemodule in einer zu der vorbestimmten Orientierung entgegengesetzten Orientierung dem entsprechenden Strang (15, 16, 17) zugeschaltet sind.
Verfahren zum Versorgen eines Niedervoltnetzes (60) mittels eines Batteriesystems (10) mit einem oder mehreren Strängen (15, 16, 17), die jeweils mehrere in Reihe zuschaltbare Batteriemodule umfassen, welche dem entsprechenden Strang (15, 16, 17) in mindestens einer Orientierung zuschaltbar sind, und einer Steuereinheit (30), welche dazu ausgebildet ist, die Batteriemodule jedes Stranges (15, 16, 17) dem jeweiligen Strang (15, 16, 17) über diesen jeweils zugeordnete Schalteinheiten so zuzuschalten, dass eine der Anzahl der Stränge (15, 16, 17) entsprechende ein- oder mehrphasige Ausgangsspannung (AW) des Batteriesystems (10) erzeugt wird, gekennzeichnet durch Ermöglichen einer Auskopplung einer von mindestens einem vordefinierten Batteriemodul der Batteriemodule jedes Stranges (15, 16, 17) über die diesem oder diesen zugeordneten Schalteinheiten an den entsprechenden Strang (15, 16, 17) angelegten Spannung und Ermöglichen einer Einkopplung dieser in das Niedervoltnetz (60), oder Auskopplung einer von mindestens einem vordefinierten Batteriemodul der Batteriemodule jedes Stranges (15, 16, 17) über die diesem oder diesen zugeordneten Schalteinheiten an den entsprechenden Strang (15, 16, 17) angelegten Spannung und Einkopplung dieser in das Niedervoltnetz (60), jeweils wenn die von jedem mindestens einem vordefinierten Batteriemodul an den entsprechenden Strang (15, 16, 17) angelegte Spannung einer Versorgungsspannung zum Versorgen des Niedervoltnetzes (60) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Anlegen einer an jedem mindestens einen vordefinierten Batteriemodul anliegenden Spannung über die diesen zugeordneten Schalteinheiten an den entsprechenden Strang (15, 16, 17) als eine der Versorgungsspannung entsprechende Gleichspannung, welche ausgekoppelt und direkt in das Niedervoltnetz (60) eingekoppelt wird oder werden kann.
Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Wandeln einer an jedem mindestens einen vordefinierten Batteriemodul anliegenden Spannung über die diesen zugeordneten Schalteinheiten in eine Wechselspannung, welche ausgekoppelt wird und zum Einkoppeln in das Niedervoltnetz (60) an einen Trenntransformator (65) angelegt wird, über den die von jedem mindestens einem vordefinierten Batteriemodul an den entsprechenden Strang (15, 16, 17) angelegte und ausgekoppelte Spannung in das Niedervoltnetz (60) eingekoppelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch Schalten einer der in das Niedervoltnetz (60) eingekoppelten Spannung entsprechenden Gegenspannung in den jeweiligen Strang (15, 16, 17) durch Batteriemodule des jeweiligen Strangs (15, 16, 17), von denen nicht die in das Niedervoltnetz (60) eingekoppelte Spannung bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, gekennzeichnet durch Ansteuerung der Schalteinheiten der Batteriemodule eines Stranges (15, 16, 17) bei einer vorbestimmten Orientierung der Ausgangsspannung (W1, W2, W3) des entsprechenden Stranges (15, 16, 17) so, dass Ladung von den nicht vordefinierten Batteriemodulen in die vordefinierten Batteriemodule verschoben wird, wenn die vordefinierten Batteriemodule in einer zu der vorbestimmten Orientierung entgegengesetzten Orientierung dem entsprechenden Strang (15, 16, 17) zugeschaltet sind.