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DE102016007804A1 - Battery for a vehicle - Google Patents

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DE102016007804A1
DE102016007804A1 DE102016007804.9A DE102016007804A DE102016007804A1 DE 102016007804 A1 DE102016007804 A1 DE 102016007804A1 DE 102016007804 A DE102016007804 A DE 102016007804A DE 102016007804 A1 DE102016007804 A1 DE 102016007804A1
Authority
DE
Germany
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battery
voltage
module
modules
output
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE102016007804.9A
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German (de)
Inventor
Mei Huang
Juergen Schenk
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Daimler AG filed Critical Daimler AG
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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterie 10 für ein Fahrzeug. Die Batterie weist mindestens ein erstes Modul 11 und ein zweites Modul 21 auf, wobei jedes Modul 11, 21, 31 einen Energiespeicher 12, 22, 32 und mindestens einen Schalter 13, 23, 33; 14, 24, 34 mit einer ersten Schaltposition a1, a2, a3; c1, c2, c3 und einer zweiten Schaltposition b1, b2, b3; d1, d2, d3 aufweist. Ferner ist vorgesehen, dass in der ersten Schaltposition a1, a2, a3; c1, c2, c3 mindestens eines der Schalter 13, 23, 33; 14, 24, 34 eine erste Ausgangsspannung an der Batterie 10 bereitstellbar ist und in der zweiten Schaltposition mindestens eines der Schalter 13, 23, 33; 14, 24, 34 eine zweite Ausgangsspannung an der Batterie 10 bereitstellbar ist.The invention relates to a battery 10 for a vehicle. The battery has at least a first module 11 and a second module 21, each module 11, 21, 31 having an energy store 12, 22, 32 and at least one switch 13, 23, 33; 14, 24, 34 with a first switching position a1, a2, a3; c1, c2, c3 and a second switching position b1, b2, b3; d1, d2, d3. It is further provided that in the first switching position a1, a2, a3; c1, c2, c3 at least one of the switches 13, 23, 33; 14, 24, 34 a first output voltage to the battery 10 can be provided and in the second switching position of at least one of the switches 13, 23, 33; 14, 24, 34 a second output voltage to the battery 10 can be provided.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie für ein Fahrzeug.The invention relates to a battery for a vehicle.

Herkömmliche Hochvolt-Batterien (HV-Batterien) bei bekannten Elektrofahrzeugen haben eine bestimmte Eingangsspannung, Ausgangsspannung (Output-Input-Spannung) und eine bestimmte Leistung, z. B. 500 V, 100 kW. Beim Laden mit Gleichstrom (DC-Laden) benötigt die Batterie eine entsprechende Spannung mit einer bestimmten Toleranz, z. B. 500 V + x%. Bisher werden Gleichstromwandler (DC/DC Wandler) mit geeigneten Ansteuerverfahren verwendet, um die Gleichspannung (DC-Spannung) für das Laden anzupassen.Conventional high-voltage batteries (HV batteries) in known electric vehicles have a certain input voltage, output voltage (output input voltage) and a certain power, eg. B. 500 V, 100 kW. When charging with DC (DC charging), the battery needs a corresponding voltage with a certain tolerance, eg. B. 500 V + x%. Up to now, DC-DC converters (DC / DC converters) have been used with suitable driving methods to adjust the DC voltage for charging.

Die bisherigen Batterien in Elektrofahrzeugen (EVs) liefern bei niedriger Temperatur weniger Leistung, benötigen aber eine erhöhte Heizleistung. Dies führt zu einem langsamen Starten und zu einem ungünstigen Energieverbrauch.The existing batteries in electric vehicles (EVs) provide less power at low temperature, but require increased heating power. This leads to a slow start and to an unfavorable energy consumption.

Ferner kann bei Ladesäulen niedrigerer Spannung, z. B. 250 V + x%, die Batterie nicht mehr geladen werden. Diese Situation tritt ein, z. B. bei Ländern mit unterschiedlichem Ladestandard. Folglich wird für das Laden ein externer Gleichstromwandler (DC/DC Wandler) benötigt, der Kosten verursacht und der nicht immer vorhanden ist.Furthermore, with charging columns lower voltage, z. B. 250 V + x%, the battery can no longer be charged. This situation occurs, for. B. in countries with different charging standard. Consequently, charging requires an external DC / DC converter, which is costly and is not always present.

Innerhalb des Fahrzeugs wird oft die Niedervolt-Batterie (LV-Batterie), z. B. 48 Volt, von der Hochvolt-Batterie (HV-Batterie) geladen. Dafür wird ein eingebauter Gleichstromwandler (DC/DC Wandler) benötigt, um die passende Ladespannung, z. B. 50 V, für die Niedervolt-Batterie (LV-Batterie) zu erhalten. Dies ist ebenso eine kostspielige Lösung.Inside the vehicle is often the low-voltage battery (LV battery), z. B. 48 volts, charged by the high-voltage battery (HV battery). For this purpose, a built-in DC-DC converter (DC / DC converter) is required to match the appropriate charging voltage, eg. B. 50 V, for the low-voltage battery (LV battery) to get. This is also a costly solution.

Die Druckschrift US 2014/0184162 A1 beschreibt ein Energiespeichersystem, das Module mit jeweils einem Energiespeicher und zwei Schaltern aufweist, die zwei Positionen einnehmen können. Einzelne Module sind hierbei miteinander verbindbar, so dass gleichzeitig einzelne Energiespeicher geladen werden können während zeitgleich andere Energiespeicher entladen werden können.The publication US 2014/0184162 A1 describes an energy storage system having modules each with an energy storage and two switches that can take two positions. Individual modules can be connected to each other, so that at the same time individual energy storage devices can be charged while other energy storage devices can be discharged at the same time.

Es ergibt sich die technische Aufgabe eine Batterie bereitzustellen, bei der die Arbeitsspannung variabel einstellbar ist, ohne einen Gleichstromwandler zu verwenden.It results in the technical problem of providing a battery in which the working voltage is variably adjustable without using a DC-DC converter.

Diese Aufgabe wird mit einer Batterie für ein Fahrzeug gelöst. Die erfindungsgemäße Batterie weist mindestens ein erstes Modul und ein zweites Modul auf, wobei jedes Modul einen Energiespeicher und mindestens einen Schalter mit einer ersten Schaltposition und einer zweiten Schaltposition aufweist. Ferner ist vorgesehen, dass in der ersten Schaltposition mindestens eines der Schalter eine erste Ausgangsspannung an der Batterie bereitstellbar ist und in der zweiten Schaltposition mindestens eines der Schalter eine zweite Ausgangsspannung an der Batterie bereitstellbar ist.This problem is solved with a battery for a vehicle. The battery according to the invention has at least a first module and a second module, wherein each module has an energy store and at least one switch with a first switching position and a second switching position. It is further provided that in the first switching position of at least one of the switches, a first output voltage to the battery is provided and in the second switching position of at least one of the switches, a second output voltage to the battery can be provided.

Es wird eine Batterie mit skalierbarer Arbeitsspannung zur Verfügung gestellt. Eine Hochvolt-Batterie bei einem bisherigen Elektrofahrzeug hat nur eine Output-Input-Spannung und eine Leistung (z. B. 500 V, 100 kW). Es wird vorgeschlagen, dass die erfindungsgemäße Batterie mit mehreren Arbeitsspannungen im Normalbetrieb arbeiten kann, so dass die beiden oben genannten Probleme gelöst werden. Insbesondere ist die erfindungsgemäße Batterie eine Hochvolt-Batterie. Mit den einstellbaren Arbeitsspannungen im Fahrzeug nach den vorgeschlagenen Skalierungsmustern durch die möglichen Schaltstellungen der Schalter können Kosten eingespart werden.A battery with scalable working voltage is provided. A high-voltage battery in a previous electric vehicle has only one output input voltage and one power (eg 500 V, 100 kW). It is proposed that the battery according to the invention can operate with several operating voltages in normal operation, so that the two above-mentioned problems are solved. In particular, the battery according to the invention is a high-voltage battery. With the adjustable working voltages in the vehicle according to the proposed scaling patterns by the possible switching positions of the switch costs can be saved.

Hierbei wird unter Batterie eine Energiequelle verstanden, die selbst aufladbar ist und mehrfach erneut geladen werden kann. Eine solche Batterie kann auch mit einem Akkumulator gleichgesetzt werden. Es werden unterschiedliche Ausgangspannungen bereitgestellt, die sich von Null Volt unterscheiden.Here, battery is understood to be an energy source which is self-rechargeable and can be recharged several times. Such a battery can also be equated with an accumulator. Different output voltages are provided, which are different from zero volts.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann vorgesehen werden, dass durch die Schaltpositionen der Schalter eine Ausgangsleistung der Batterie einstellbar ist.In a preferred embodiment it can be provided that an output power of the battery can be set by the switching positions of the switches.

Es wird demnach eine Batterie mit einstellbarer bzw. skalierbarer Leistung und einstellbarer bzw. skalierbarer Arbeitsspannung zur Verfügung gestellt. Es ist vorgesehen, dass die HV-Batterie mit mehreren Arbeitsspannungen und mehreren Leistungen im Normalbetrieb arbeiten kann. So kann sehr flexibel auf verschiedene Arbeitsanforderungen der Batterie reagiert werden.Accordingly, a battery with adjustable or scalable power and adjustable or scalable working voltage is made available. It is envisaged that the HV battery can operate with several operating voltages and several powers in normal operation. This makes it possible to react very flexibly to different working requirements of the battery.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann vorgesehen werden, dass jedes Modul zwei Schalter aufweist. Bei einem einzig vorhandenen Schalter pro Modul können weniger Skalierstufen bereitgestellt werden, jedoch ist der Aufbau einfacher. Es kann dann beispielsweise nur ein Schalter mit zwei Positionen verwendet werden oder ein Ein- und Ausschalter in jedem Modul. Bei der Verwendung von zwei Schaltern pro Modul und zwei Schaltmöglichkeiten pro Schalter, können mehr Skaliermöglichkeiten bereitgestellt werden, d. h. eine höhere Anzahl an unterschiedlichen Arbeitsspannungen und/oder unterschiedlichen Leistungsstufen. Ferner können auch Schalter mit mehr als zwei Schaltpositionen vorgesehen werden.In a preferred embodiment, it can be provided that each module has two switches. With a single switch per module, fewer scale levels can be provided, but the structure is simpler. For example, only one switch with two positions can be used, or one on / off switch in each module. By using two switches per module and two switch options per switch, more scaling capabilities can be provided; H. a higher number of different working voltages and / or different power levels. Furthermore, switches with more than two switching positions can also be provided.

In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel kann vorgesehen werden, dass die Batterie eine Hochvolt-Batterie ist, mit der eine Niedervolt-Batterie ladbar ist, indem alle Module parallel verschaltet sind. In a further preferred embodiment it can be provided that the battery is a high-voltage battery, with which a low-voltage battery can be loaded by all modules are connected in parallel.

Es wird das Laden bei ”unpassender Spannung” der Ladesäule mit einer kostengünstigen Lösung (im Vergleich zum Verwenden eines DC/DC Wandler) und ein Laden einer Niedervolt-Batterie (NV-Batterie) ohne DC/DC Wandler ermöglicht.It allows charging at "inadequate voltage" of the charging station with a cost effective solution (compared to using a DC / DC converter) and charging a low voltage (NV) battery without a DC / DC converter.

In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel kann vorgesehen werden, dass die Batterie eine Hochvolt-Batterie ist, mit der eine Niedervolt-Batterie verbindbar ist, indem für einen Ladevorgang oder einen Entladevorgang eine Untermenge der Module zuerst seriell verschaltet ist und danach die Untermenge der Module parallel verschaltet ist.In a further preferred embodiment it can be provided that the battery is a high-voltage battery with which a low-voltage battery can be connected by a subset of the modules is first connected in series for a charging or discharging and then connected in parallel the subset of modules is.

Auf diese Weise ist es möglich, beispielsweise lediglich eine Untermenge an Energiespeichern aufzuladen und die gespeicherte Energie dieser Untermenge danach bereitzustellen. Dies hat den Vorteil, dass beispielsweise ein Fahrzeug in kurzer Zeit gestartet werden kann.In this way it is possible, for example, to charge only a subset of energy stores and to provide the stored energy of that subset thereafter. This has the advantage that, for example, a vehicle can be started in a short time.

In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel kann vorgesehen werden, dass mit einer Untermenge der Module eine Ausgangsleistung bereitstellbar ist und danach mindestens ein weiteres Modul zur Bereitstellung einer höheren Ausgangsleistung zuschaltbar ist. Dies kann für einen Startvorgang des Fahrzeugs verwendet werden, so dass zunächst für den Startvorgang eine Untermenge der Module verwendet wird und nach dem Startvorgang ein oder mehrere weitere Module zu dieser Untermenge an Modulen zugeschaltet werden.In a further preferred embodiment it can be provided that an output power can be provided with a subset of the modules, and thereafter at least one further module can be connected to provide a higher output power. This can be used for a startup operation of the vehicle, so that initially for the startup process, a subset of the modules is used and after the startup process, one or more further modules are connected to this subset of modules.

Hierbei kann der Startvorgang ein Kaltstart sein. Es wird somit ein schnelles Starten und einen günstigeren Energieverbrauch im kalten Zustand ermöglicht.In this case, the starting process can be a cold start. It is thus a fast starting and cheaper energy consumption in the cold state possible.

In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel kann vorgesehen werden, dass eine Untermenge der Energiespeicher aufladbar oder entladbar sind, indem eine Untermenge der Module seriell miteinander verbunden ist. Hierbei wird die Untermenge der Module vorzugsweise mit niedriger Spannung aufgeladen, beispielsweise als Batterie mit maximaler Arbeitsspannung.In a further preferred embodiment it can be provided that a subset of the energy stores are rechargeable or dischargeable by a subset of the modules being connected in series. Here, the subset of the modules is preferably charged with low voltage, for example as a battery with maximum working voltage.

Es ergeben sich die Vorteile, dass die Batterie schnell gestartet werden kann und sich ein günstigerer Energieverbrauch bei kaltem Zustand ergibt. Ferner werden Kosten eingespart. Auch ist mit den erweiterten Lademöglichkeiten ein breiteres Einsatzgebiet von EV-Fahrzeugen möglich.There are the advantages that the battery can be started quickly and results in a more favorable energy consumption when cold. Furthermore, costs are saved. With the extended charging options, a wider range of EV vehicles is also possible.

Ferner kann in einem weiteren Ausführungsbeispiel vorgesehen werden, dass die Batterie eine Hochvolt-Batterie ist und die Batterie für einen Ladevorgang verwendbar ist mit einstellbarer Eingangsspannung und einstellbarer Eingangsleistung.Furthermore, it can be provided in a further embodiment that the battery is a high-voltage battery and the battery is suitable for charging with adjustable input voltage and adjustable input power.

Mit einer einstellbaren Eingangsspannung und einer einstellbaren Eingangsleistung bzw. einer skalierbaren Eingangsspannung und einer skalierbaren Eingangsleistung können Ladevorgänge betrieben werden. Beispielsweise kann das Laden der erfindungsgemäßen Batterie auf eine solche Weise stattfinden.With an adjustable input voltage and an adjustable input power or a scalable input voltage and a scalable input power charging operations can be operated. For example, the charging of the battery according to the invention can take place in such a way.

Ferner kann in einem weiteren Ausführungsbeispiel vorgesehen werden, dass die Batterie eine Hochvolt-Batterie ist und die Batterie für einen Entladevorgang verwendbar ist mit einer einstellbaren Ausgangsspannung und einer einstellbaren Ausgangsleistung.Furthermore, in another embodiment, it can be provided that the battery is a high-voltage battery and the battery can be used for a discharge process with an adjustable output voltage and an adjustable output power.

Mit einer einstellbaren Ausgangsspannung und einer einstellbaren Ausgangsleistung bzw. einer skalierbaren Ausgangsspannung und einer skalierbaren Ausgangsleistung können Verbraucher gespeist werden. Eine solche Batterie kann beispielsweise für ein Antreiben eines Antriebsstrangs oder ein Betreiben einer Heizung verwendet werden. Ferner kann eine solche Batterie als Energiequelle verwendet werden, um eine oder mehrere weitere Batterien zu laden.With an adjustable output voltage and an adjustable output power or a scalable output voltage and a scalable output power consumers can be fed. Such a battery may be used, for example, for driving a powertrain or operating a heater. Further, such a battery may be used as a power source to charge one or more additional batteries.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment and from the drawing. The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or in the figures alone can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations or in isolation, without the scope of To leave invention.

Dabei zeigen:Showing:

1 ein Ausführungsbeispiel einer Batterie in einem ersten Betriebszustand; 1 an embodiment of a battery in a first operating state;

2 ein Ausführungsbeispiel einer Batterie in einem zweiten Betriebszustand; 2 an embodiment of a battery in a second operating state;

3 ein Ausführungsbeispiel einer Batterie in einem dritten Betriebszustand; und 3 an embodiment of a battery in a third operating state; and

4 ein Ausführungsbeispiel einer Batterie in einem vierten Betriebszustand. 4 an embodiment of a battery in a fourth operating state.

In den 1 bis 4 wird jeweils ein Ausführungsbeispiel einer Batterie 10 in verschiedenen Betriebszuständen dargestellt. Die Batterie 10 ist vorzugsweise eine Hochvolt-Batterie, die in einem Fahrzeug installiert ist. Die Batterie 10 weist eine Mehrzahl von Modulen 11, 21, 31 auf, wobei jedes Modul jeweils einen Energiespeicher 12, 22, 32 und zwei Schalter 13, 14; 23, 24; 33, 34 aufweist. Die Schalter 13, 14; 23, 24; 33, 34 können jeweils zwei Schaltpositionen einnehmen, gekennzeichnet in den Figuren mit ”a1”, ”b1” für Schalter 13, ”c1”, ”d1” für Schalter 14, sowie ”a2”, ”b2” für Schalter 23, ”c2”, ”d2” für Schalter 24, und ”an”, ”bn” für Schalter 13, ”cn”, ”dn” für Schalter n, wobei n eine natürliche ganzzahlige Zahl ist. Zwischen jeweils einem Energiespeicher und einem Schalter ist in Reihe ein elektrischer Widerstand 15, 25, 35 geschaltet. Dieser kann den physikalischen Batterieinnenwiderstand darstellen oder ein strombegrenzendes Bauteil sein. Die Batterie weist vier Anschlussklemmen oder Abgriffe A, B, C, D auf, wobei die Module 11, 21, 31 über Anschlussleitungen mit den Abgriffen A, B, C, D verbindbar sind. Hierbei bilden die Anschlussklemmen A und D einen ersten Abgriff und die Anschlussklemmen B und C einen zweiten Abgriff bilden. Auch ist es möglich, dass an den Anschlussklemmen A und C oder an den Anschlussklemmen B und C ein Abgriff erfolgt. Die Abgriffe werden verwendet, um eine angeschlossene Last an den Abgriffen mit elektrischer Energie zu versorgen. Ferner können die Abgriffe dazu verwendet werden, eine Energiequelle, wie beispielsweise eine Ladestation, mit der Batterie 10 zu verbinden oder eine weitere Batterie mit der Batterie 10 zu verbinden. In the 1 to 4 in each case an embodiment of a battery 10 shown in different operating states. The battery 10 is preferably a high-voltage battery installed in a vehicle. The battery 10 has a plurality of modules 11 . 21 . 31 on, each module each having an energy storage 12 . 22 . 32 and two switches 13 . 14 ; 23 . 24 ; 33 . 34 having. The switches 13 . 14 ; 23 . 24 ; 33 . 34 can each occupy two switching positions, marked in the figures with "a1", "b1" for switches 13 , "C1", "d1" for switches 14 , as well as "a2", "b2" for switches 23 , "C2", "d2" for switches 24 , and "on", "bn" for switches 13 , "Cn", "dn" for switch n, where n is a natural integer number. Between each energy storage and a switch is in series an electrical resistance 15 . 25 . 35 connected. This can represent the physical physical battery resistance or be a current-limiting component. The battery has four terminals or taps A, B, C, D, the modules 11 . 21 . 31 can be connected to the taps A, B, C, D via connection lines. Here, the terminals A and D form a first tap and the terminals B and C form a second tap. It is also possible that a tap takes place at the terminals A and C or at the terminals B and C. The taps are used to provide electrical power to a connected load at the taps. Further, the taps may be used to connect a power source, such as a charging station, to the battery 10 to connect or another battery to the battery 10 connect to.

Ferner weist die Batterie 10 der 1 bis 4 Verbindungsleitungen 20, 30 auf, die die einzelnen Module 11, 21, 31 miteinander verbinden, wobei eine erste Verbindungsleitung 20 von dem zweiten Schalter 14 des ersten Moduls 11 zum ersten Schalter 23 des zweiten Moduls 21 geführt ist. Ferner ist eine zweite Verbindungsleitung 30 von dem zweiten Schalter 24 des zweiten Moduls 21 zu dem ersten Schalter 33 des dritten Moduls 31 geführt. Dies kann bis zum n-ten Modul so fortgesetzt werden. Das n-te Modul, das ebenfalls einen ersten und einen zweiten Schalter aufweist kann mit seinem zweiten Schalter über den markierten Schaltpunkt ”dn” des zweiten Schalters mit der Anschlussleitung der Anschlussklemme D verbunden. Ferner ist das erste Modul 11, das ebenfalls einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter aufweist, mit seinem ersten Schalter 13 über den Anschluss ”a1” mit der Anschlussleitung der Anschlussklemme A verbunden. Ferner können die Schalter 13, 23, 33 über ihre Anschlüsse ”b1”, ”b2”, ”b3” mit der Anschlussleitung der Anschlussklemme B und die Schalter 14, 24, 34 über ihre Anschlüsse ”c1”, ”c2”, ”c3” mit der Anschlussleitung der Anschlussklemme C verbunden werden.Furthermore, the battery points 10 of the 1 to 4 interconnectors 20 . 30 on which the individual modules 11 . 21 . 31 connect to each other, with a first connecting line 20 from the second switch 14 of the first module 11 to the first switch 23 of the second module 21 is guided. Further, a second connection line 30 from the second switch 24 of the second module 21 to the first switch 33 of the third module 31 guided. This can be continued until the nth module. The nth module, which likewise has a first and a second switch, can be connected with its second switch via the marked switching point "dn" of the second switch to the connecting line of the terminal D. Furthermore, the first module 11 , which also has a first switch and a second switch, with its first switch 13 connected to the connection lead of terminal A via connection "a1". Furthermore, the switches 13 . 23 . 33 via its connections "b1", "b2", "b3" with the connecting cable of the terminal B and the switches 14 . 24 . 34 via its connections "c1", "c2", "c3" to the connection cable of terminal C.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Batterie 10 in einem ersten Betriebszustand, der ein normaler Arbeitsmodus ist. Dies kann eine Einspeisung einer angeschlossenen Last sein. Hierbei sind die ersten Schalter der Module 11, 21, 31 jeweils auf die Schaltposition ”a” gestellt. Die zweiten Schalter der Module 11, 21, 31 sind jeweils auf die Schaltposition ”d” gestellt. Es ergibt sich eine serielle Verbindung der Module 11, 21, 31, d. h. die Module 11, 21, 31 sind elektrisch in Reihe geschaltet. Bei einer Modulspannung von 50 V, d. h. einer Zellenspannung von 50 Volt der Batterie 10, ergeben sich folgende Ausgangsspannung (UOutput) und Ausgangsleistung (POutput): VOutput = n·UModul = 10·50 V = 500 V POutput = n·PModul = 10·10 kW = 100 kW 1 shows an embodiment of the battery 10 in a first operating state, which is a normal working mode. This can be an infeed of a connected load. Here are the first switches of the modules 11 . 21 . 31 each set to the switching position "a". The second switches of the modules 11 . 21 . 31 are each set to the switching position "d". This results in a serial connection of the modules 11 . 21 . 31 ie the modules 11 . 21 . 31 are electrically connected in series. At a module voltage of 50 V, ie a cell voltage of 50 volts of the battery 10 , the following output voltage (U output ) and output power (P output ) result: V output = n · U module = 10 · 50 V = 500V P output = n · P module = 10 · 10 kW = 100 kW

Hierbei entspricht n der Anzahl der in Reihe geschlossenen Module. Bei n = 10 ergibt sich eine Ausgangsspannung von 500 Volt und eine Ausgangsleistung von 100 Kilowatt.Where n is the number of modules closed in series. At n = 10 results in an output voltage of 500 volts and an output power of 100 kilowatts.

Es gilt folgender Zusammenhang in Bezug auf 1: UModul = Ua1d1 = Ua2d2 = ... = Uandn = 50 V PModul = Pa1d1 = Pa2d2 = ... = 10 kW UOutput = Ua1d1 + Ua2d2 + ... = 500 V POutput = Pa1d1 + Pa2d2 + ... = 100 kW The following relationship applies in relation to 1 : U modulus = U a1d1 = U a2d2 = ... = U andn = 50V P module = P a1d1 = P a2d2 = ... = 10 kW U Output = U a1d1 + U a2d2 + ... = 500V P output = P a1d1 + P a2d2 + ... = 100 kW

2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Batterie 10 in einem zweiten Betriebszustand, bei dem die Batterie 10 als Hochvolt-Batterie mit einer Modulspannung von 50 Volt an einer Niedervolt-Batterie mit einer Spannung von 48 Volt angeschlossen werden kann. Ein DC/DC-Wandler ist hierbei nicht notwendig. Die Hochvolt-Batterie kann die Niedervolt-Batterie laden oder bei entsprechenden Spannungsverhältnissen umgekehrt. 2 shows an embodiment of the battery 10 in a second operating state, in which the battery 10 can be connected as a high-voltage battery with a module voltage of 50 volts to a low-voltage battery with a voltage of 48 volts. A DC / DC converter is not necessary here. The high-voltage battery can charge the low-voltage battery or vice versa with appropriate voltage conditions.

Hierbei sind die ersten Schalter der Module 11, 21, 31 jeweils auf die Schaltposition ”b” gestellt. Die zweiten Schalter der Module 11, 21, 31 sind jeweils auf die Schaltposition ”c” gestellt. Es ergibt sich eine Parallelschaltung der Module 11, 21, 31, d. h. die Module 11, 21, 31 sind elektrisch zueinander parallel geschaltet.Here are the first switches of the modules 11 . 21 . 31 each set to the switching position "b". The second switches of the modules 11 . 21 . 31 are each set to the switching position "c". This results in a parallel connection of the modules 11 . 21 . 31 ie the modules 11 . 21 . 31 are electrically connected in parallel with each other.

Bei einer Modulspannung von 50 V, d. h. einer Zellenspannung von 50 Volt der Batterie 10, ergibt sich folgende Ausgangsspannung (UOutput) und Ausgangsleistung (POutput): UOutput = UModul = Ub1c1 = Ub2c2 = ... = Ubncn = Ua1d1 = Ua2d2 = ... = Uandn = 50 V POutput = Pb1c1 + Pb2c2 ... = 10·PModul = 10·10 kW = 100 kW At a module voltage of 50 V, ie a cell voltage of 50 volts of the battery 10 , results in the following output voltage (U output ) and output power (P output ): U Output = U Module = U b1c1 = U b2c2 = ... = U bncn = U a1d1 = U a2d2 = ... = U andn = 50V P output = P b1c1 + P b2c2 ... = 10 · P module = 10 · 10 kW = 100 kW

Hierbei entspricht n der Anzahl der parallel verbundenen Module. Bei n = 10 ergibt sich eine Ausgangsspannung von 50 Volt und eine Ausgangsleistung von 100 Kilowatt.Where n is the number of modules connected in parallel. At n = 10 results in an output voltage of 50 volts and an output power of 100 kilowatts.

3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Batterie 10 in einem dritten Betriebszustand, bei dem nur ein Teil der vorhandenen Module verwendet wird. Es wird dabei nur ein Teil der Batterieleistung in Anspruch genommen. Beispielsweise bei einem Kaltstart wird zuerst nur das erste Modul geheizt, um das Fahrzeug starten zu lassen. Danach können sukzessiv weitere Module erwärmt werden und nach dem Erwärmen zugeschaltet werden. Diese Vorgehensweise kann den Startvorgang des Fahrzeugs bei Kälte beschleunigen und reduziert den Energieverbrauch. 3 shows an embodiment of the battery 10 in a third operating state where only a part of the existing modules is used. Only part of the battery power is used. For example, during a cold start, first only the first module is heated to start the vehicle. Thereafter, successive modules can be heated and switched on after heating. This procedure can accelerate the starting process of the vehicle in the cold and reduces energy consumption.

3 zeigt das erste Modul, das mit den Anschlussleitungen der Anschlussklemmen B und C verbunden ist, indem der erste Schalter des Moduls 11 in die Schaltposition ”b1” gestellt ist und der zweite Schalter des Moduls 11 auf die Schaltposition ”c1” gestellt ist. Die weiteren Module der Batterie 10 sind zunächst nicht zugeschaltet und tragen nicht zur Ausgangsleistung der Batterie 10 bei. 3 shows the first module, which is connected to the leads of the terminals B and C, by the first switch of the module 11 is set to the switching position "b1" and the second switch of the module 11 is set to the switching position "c1". The other modules of the battery 10 are initially not switched on and do not contribute to the output of the battery 10 at.

Bei gleicher Arbeitsspannung wie in den vorherigen Ausführungsbeispielen, nämlich 50 V, kann n-mal eine unterschiedliche Leistung bereitgestellt. Die Leistung der nicht in Gebrauch genommenen Batteriemodule ergibt sich durch die Stellung des ersten Schalters auf ”b2” und des zweiten Schalters auf ”d2”. Dies bedeutet, dass die Module miteinander elektrisch parallel verbunden sind.With the same operating voltage as in the previous embodiments, namely 50 V, a different power can be provided n times. The performance of the unused battery modules results from the position of the first switch on "b2" and the second switch on "d2". This means that the modules are electrically connected in parallel with each other.

Bei einer Modulspannung von 50 V, d. h. einer Zellenspannung von 50 Volt der Batterie 10, ergibt sich folgende Ausgangsspannung (UOutput) und Ausgangsleistung (POutput): UOutput = UModul = Ub1c1 = 50 V = Ub2c2 = ... = Ubncn = Ua1d1 = Ua2d2 = ... = Uandn POutput = PModul = Pb1c1 = 10 kW At a module voltage of 50 V, ie a cell voltage of 50 volts of the battery 10 , results in the following output voltage (U output ) and output power (P output ): U Output = U Module = U b1c1 = 50 V = U b2c2 = ... = U bncn = U a1d1 = U a2d2 = ... = U andn P output = P module = P b1c1 = 10 kW

Es ergibt sich eine Ausgangsspannung von 50 Volt und eine Ausgangsleistung von 10 Kilowatt (10 kW).This results in an output voltage of 50 volts and an output power of 10 kilowatts (10 kW).

4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Batterie 10 in einem vierten Betriebszustand, bei dem die Batterie 10 durch eine externe Energiequelle, wie eine Ladestation, geladen wird. 4 shows an embodiment of the battery 10 in a fourth operating state, in which the battery 10 is charged by an external power source, such as a charging station.

Hierbei sind ist der erste Schalter des ersten Moduls 11 auf die Schaltposition ”a1” gestellt. Der zweiten Schalter des ersten Moduls 11 ist auf die Schaltposition ”d1” gestellt. Ferner ist der erste Schalter des zweiten Moduls 12 auf die Schaltposition ”a2” gestellt und der zweite Schalter des zweiten Moduls 12 auf die Schaltposition ”c2” gestellt. Dies bedeutet, dass die beiden Module 11, 12 elektrisch in Reihe geschaltet sind, also seriell miteinander verbunden sind. Die übrigen Module werden hierbei nicht verwendet und bleiben ungenutzt.Here are the first switch of the first module 11 set to the switching position "a1". The second switch of the first module 11 is set to the switching position "d1". Further, the first switch of the second module 12 set to the switching position "a2" and the second switch of the second module 12 set to the switching position "c2". This means that the two modules 11 . 12 are electrically connected in series, that are connected in series. The remaining modules are not used and remain unused.

Es wird angenommen, dass die Hochvolt-Batterie eine Modulspannung von 50 Volt aufweist und an einer Ladestation mit 110 Volt geladen wird. Demnach ergibt sich bei zwei zugeschalteten Modulen: UBatterie = 2·UModul = 2·50 V = 100 V PBatterie = 2·PModul = 2·10 kW = 20 kW It is assumed that the high-voltage battery has a module voltage of 50 volts and is charged at a charging station with 110 volts. Thus, with two modules connected: U battery = 2 · U module = 2 · 50 V = 100V P battery = 2 · P module = 2 · 10 kW = 20 kW

Bei einer Modulspannung von 50 V, d. h. einer Zellenspannung von 50 Volt der Batterie 10, ergibt sich folgende Ausgangsspannung (UOutput) und Ausgangsleistung (POutput): UOutput = Ua1c2 = Ua1d1 + Ua2c2 = 2·UModul = 2·50 V = 100 V POutput = Pa1c2 = Pa1d1 + Pa2c2 = 2·PModul = 2·10 kW = 20 kW At a module voltage of 50 V, ie a cell voltage of 50 volts of the battery 10 , results in the following output voltage (U output ) and output power (P output ): U Output = U a1c2 = U a1d1 + U a2c2 = 2 x U Module = 2 x 50 V = 100V P output = P a1c2 = P a1d1 + P a2c2 = 2 x P module = 2 x 10 kW = 20 kW

Es ergibt sich eine Ausgangsspannung von 100 Volt und eine Ausgangsleistung von 20 Kilowatt.The result is an output voltage of 100 volts and an output power of 20 kilowatts.

Insgesamt kann festgehalten werden:
Bei einer Anzahl N = xn Modulen kann man (n + 1)-mal unterschiedliche Batteriearbeitsspannungen erhalten und N = xn mal unterschiedliche Leistungen liefern.
Altogether it can be stated:
With a number N = x n modules, one can obtain (n + 1) times different battery operating voltages and N = x n times deliver different powers.

Die möglichen Arbeitsspannungen sind: UModul; x·UModul; x2·UModul; x3·UModul ... xn·UModul The possible working voltages are: U module ; x · U module ; x 2 · U module ; x 3 · U module ... x n · U module

Die möglichen Ausgangsleistungen oder Outputleistungen sind: 1/N·Pgesamt, 2/N·Pgesamt ... The possible output powers or outputs are: 1 / N · P total , 2 / N · P total ...

Bei xn Modulen kann man (n + 1)-mal unterschiedliche Batteriearbeitsspannung bekommen. Bei jeder Arbeitsspannung kann man entsprechend bis zu xn Leistung skalieren.With x n modules you can get (n + 1) times different battery working voltage. For each working voltage, you can scale up to x n power accordingly.

Die möglichen Arbeitsspannungen sind: UModul; x·UModul; x2·UModul; x3·UModul ... xn·UModul The possible working voltages are: U module ; x · U module ; x 2 · U module ; x 3 · U module ... x n · U module

Beispiel 1: Example 1:

Bei 2n Modulen kann man (n + 1)-mal unterschiedliche Batteriearbeitsspannungen liefern.With 2 n modules, one can supply (n + 1) times different battery working voltages.

Geht man von acht Modulen aus, d. h. 8 = 23, mit je 10 V und n = 3, kann man 3 + 1 = 4 unterschiedliche Spannungen erhalten.Assuming eight modules, ie 8 = 2 3 , each with 10 V and n = 3, one can obtain 3 + 1 = 4 different voltages.

Bei acht parallel geschalteten Modulen erhält man 10 V als Ausgangsspannung und es können acht unterschiedliche Leistungen bereitgestellt werden.With eight modules connected in parallel, 10 V is obtained as the output voltage and eight different powers can be provided.

Bei zwei Modulen seriell in einer Gruppe, dann vier Gruppen parallel erhält man 20 V als Ausgangsspannung und es können vier unterschiedliche Leistungen bereitgestellt werden.With two modules in series in one group, then four groups in parallel, one obtains 20 V as the output voltage and four different powers can be provided.

Bei vier Modulen seriell in einer Gruppe, dann zwei Gruppen parallel, kann man 40 V als Ausgangsspannung erhalten und dazu können zwei unterschiedliche Leistungen bereitgestellt werden.With four modules in series in one group, then two groups in parallel, 40 V can be obtained as the output voltage and two different powers can be provided for this purpose.

Bei acht Modulen seriell verschaltet kann man 80 V Ausgangsspannung erhalten und es kann dazu eine Leistung bereitgestellt werden.With eight modules connected in series, 80 V output voltage can be obtained and a power can be provided for this purpose.

Beispiel 2:Example 2:

Bei 3n Modulen können (n + 1)-mal unterschiedliche Batteriearbeitsspannungen bereitgestellt werden.At 3 n modules (n + 1) times can batteries of different operating voltages can be provided.

Bei n = 3 mit 27 = 33 Modulen mit je 10 V Ausgangsspannung können 3 + 1 = 4 unterschiedliche Spannungen bereitgestellt werden.For n = 3 with 27 = 3 3 modules each with 10 V output voltage 3 + 1 = 4 different voltages can be provided.

Bei allen 27 Modulen parallel geschaltet erhält man 10 V als Ausgangsspannung und es können dazu 27 unterschiedliche Leistungen bereitgestellt werden.In all 27 modules connected in parallel, 10 V is obtained as output voltage and 27 different powers can be provided for this purpose.

Bei drei Modulen serielle in einer Gruppe und neun Gruppen parallel geschaltet erhält man 30 V als Ausgangsspannung und es können dazu neun unterschiedliche Leistungen bereitgestellt werden.With three modules connected in series in one group and nine groups in parallel, 30 V is output as output voltage and nine different powers can be provided.

Bei neun Modulen seriell verschaltet in einer Gruppe und drei Gruppen parallel geschaltet erhält man 90 V als Ausgangsspannung und es können dazu drei unterschiedliche Leistungen bereitgestellt werden.With nine modules connected in series in one group and three groups connected in parallel, 90 V is obtained as the output voltage and three different powers can be provided for this purpose.

Bei neun Modulen in serieller Verschaltung erhält man 270 V als Ausgangsspannung und dazu kann eine Leistung bereitgestellt werden.With nine modules in serial connection, 270 V is obtained as the output voltage and a power can be provided for this purpose.

Demnach ist insgesamt bei der erfindungsgemäßen Batterie, insbesondere bei einer Hochvoltbatterie, mehr als eine Ausgangsspannung bzw. Eingangsspannung und auch mehr als eine Leistung bereitstellbar. Somit kann die Batterie mit mehreren Arbeitsspannungen und mehreren Leistungen arbeiten und für zahlreiche Skalierungsmuster konzipiert werden, d. h. ein Betreiben der Batterie mit unterschiedlichen Stellungen der Schalter der Batteriemodule ist möglich. Die Batterie kann für Ladevorgänge und/oder Entladevorgänge verwendet werden. Es ergeben sich zahlreiche technische Vorteile wie auch die Einsparung von Kosten.Accordingly, in the case of the battery according to the invention, in particular in the case of a high-voltage battery, more than one output voltage or input voltage and also more than one output can be provided. Thus, the battery can work with multiple voltages and multiple powers and can be designed for a variety of scaling patterns, i. H. operating the battery with different positions of the switches of the battery modules is possible. The battery can be used for charging and / or discharging. There are numerous technical advantages as well as the saving of costs.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Batteriebattery
1111
erstes Modulfirst module
1212
erster Energiespeicherfirst energy store
1313
erster Schalter des ersten Modulsfirst switch of the first module
1414
zweiter Schalter des zweiten Modulssecond switch of the second module
2121
zweites Modulsecond module
2222
zweiter Energiespeichersecond energy store
2323
erster Schalter des zweiten Modulsfirst switch of the second module
2424
zweiter Schalter des zweiten Modulssecond switch of the second module
3131
drittes Modulthird module
3232
dritter Energiespeicherthird energy storage
3333
erster Schalter des dritten Modulsfirst switch of the third module
3434
zweiter Schalter des dritten Modulssecond switch of the third module
A, B, C, DA, B, C, D
Anschlussklemmeterminal
a1, a2, a3, ana1, a2, a3
erster Schaltkontakt eines ersten Schaltersfirst switching contact of a first switch
b1, b2, b3, bnb1, b2, b3, bn
zweiter Schaltkontakt eines ersten Schalterssecond switching contact of a first switch
c1, c2, c3, cnc1, c2, c3, cn
erster Schaltkontakt eines zweiten Schaltersfirst switching contact of a second switch
d1, d2, d3, dnd1, d2, d3, dn
zweiter Schaltkontakt eines zweiten Schalterssecond switching contact of a second switch

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 2014/0184162 A1 [0006] US 2014/0184162 A1 [0006]

Claims (9)

Batterie (10) für ein Fahrzeug aufweisend mindestens ein erstes Modul (11) und ein zweites Modul (21), wobei jedes Modul (11, 21, 31) einen Energiespeicher (12, 22, 32) und mindestens einen Schalter (13, 23, 33; 14, 24, 34) mit einer ersten Schaltposition (a1, a2, a3; c1, c2, c3) und einer zweiten Schaltposition (b1, b2, b3; d1, d2, d3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Schaltposition (a1, a2, a3; c1, c2, c3) mindestens eines der Schalter (13, 23, 33; 14, 24, 34) eine erste Ausgangsspannung an der Batterie (10) bereitstellbar ist und in der zweiten Schaltposition mindestens eines der Schalter (13, 23, 33; 14, 24, 34) eine zweite Ausgangsspannung an der Batterie (10) bereitstellbar ist.Battery ( 10 ) for a vehicle having at least a first module ( 11 ) and a second module ( 21 ), each module ( 11 . 21 . 31 ) an energy store ( 12 . 22 . 32 ) and at least one switch ( 13 . 23 . 33 ; 14 . 24 . 34 ) having a first shift position (a1, a2, a3; c1, c2, c3) and a second shift position (b1, b2, b3; d1, d2, d3), characterized in that in the first shift position (a1, a2, c3) a3; c1, c2, c3) at least one of the switches ( 13 . 23 . 33 ; 14 . 24 . 34 ) a first output voltage at the battery ( 10 ) and in the second switching position at least one of the switches ( 13 . 23 . 33 ; 14 . 24 . 34 ) a second output voltage on the battery ( 10 ) is available. Batterie (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Schaltpositionen (a1, a2, a3; c1, c2, c3) der Schalter (13, 23, 33; 14, 24, 34) eine Ausgangsleistung der Batterie (10) einstellbar ist.Battery ( 10 ) according to claim 1, characterized in that by the switching positions (a1, a2, a3; c1, c2, c3) of the switch ( 13 . 23 . 33 ; 14 . 24 . 34 ) an output power of the battery ( 10 ) is adjustable. Batterie (10) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Modul (11, 21, 31) zwei Schalter (13, 23, 33; 14, 24, 34) aufweist.Battery ( 10 ) according to claim 1 or claim 2, characterized in that each module ( 11 . 21 . 31 ) two switches ( 13 . 23 . 33 ; 14 . 24 . 34 ) having. Batterie (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (10) eine Hochvolt-Batterie ist, mit der eine Niedervolt-Batterie ladbar ist, indem alle Module (11, 21, 31) parallel verschaltet sind.Battery ( 10 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the battery ( 10 ) is a high-voltage battery with which a low-voltage battery can be charged by all modules ( 11 . 21 . 31 ) are connected in parallel. Batterie (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (10) eine Hochvolt-Batterie ist, mit der eine Niedervolt-Batterie verbindbar ist, indem für einen Ladevorgang oder einen Entladevorgang eine Untermenge der Module (11, 21, 31) zuerst seriell verschaltet ist und danach die Untermenge der Module (11, 21, 31) parallel verschaltet ist.Battery ( 10 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the battery ( 10 ) is a high-voltage battery to which a low-voltage battery is connectable by a subset of modules for a charge or a discharge ( 11 . 21 . 31 ) is connected in series first and then the subset of modules ( 11 . 21 . 31 ) is connected in parallel. Batterie (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Untermenge der Module (11, 21) eine Ausgangsleistung bereitstellbar ist und danach mindestens ein weiteres Modul (31) zur Bereitstellung einer höheren Ausgangsleistung zuschaltbar ist.Battery ( 10 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that with a subset of the modules ( 11 . 21 ) an output power is available and then at least one further module ( 31 ) is switchable to provide a higher output power. Batterie (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Untermenge der Energiespeicher (12, 22, 32) aufladbar oder entladbar sind, indem eine Untermenge der Module (12, 22, 32) seriell miteinander verbunden sind.Battery ( 10 ) according to one of claims 1 to 6, characterized in that a subset of the energy storage ( 12 . 22 . 32 ) are rechargeable or dischargeable by adding a subset of the modules ( 12 . 22 . 32 ) are connected in series. Batterie (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie eine Hochvolt-Batterie ist und die Batterie für einen Ladevorgang verwendbar ist mit einstellbarer Eingangsspannung und einstellbarer Eingangsleistung.Battery ( 10 ) according to one of claims 1 to 7, characterized in that the battery is a high-voltage battery and the battery for a charging operation is usable with adjustable input voltage and adjustable input power. Batterie (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie eine Hochvolt-Batterie ist und die Batterie für einen Entladevorgang verwendbar ist mit einer einstellbaren Ausgangsspannung und einer einstellbaren Ausgangsleistung.Battery ( 10 ) according to one of claims 1 to 8, characterized in that the battery is a high-voltage battery and the battery for a discharge operation is usable with an adjustable output voltage and an adjustable output power.
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