CN102265478A - 储能器组件以及用于运作这种组件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种储能器组件，该储能器组件包括串联连接的多个电池和一个控制单元，其中这些串联连接的电池被连接到该储能器组件的一个电输出端上，并且其中这些串联连接的电池(Z1，Z2，…Zn)中的至少一部分是通过并联连接的、无电势的、受控的多个转换器和控制单元(IR1，IR2，…IRn)连接到该电输出端(5，6)以及该控制单元(BMS-C)上，这样在充电、放电和再充电的过程中，这些电池(Z1，Z2，…Zn)各自是根据所述电池(Z1，Z2，…Zn)的个体的性能特征由这些转换器和控制单元(IR1，IR2，…IRn)通过选择性电流消耗来运作的，并且在该储能器组件的电输出端(5，6)处流动的一个总电流是由流过这些串联连接的电池(Z1，Z2，…Zn)的一个基础电流以及多个附加电流来形成的，这些附加电流是根据这些电池(Z1，Z2，…Zn)的容量而从这些单独的电池中取出的。本发明允许不同类型电池的相互连接以便形成一个储能器组件并且允许它们均衡的充电或放电，以此协助最佳地使用所储存的能量并且延长总使用期限。

Description

储能器组件以及用于运作这种组件的方法

技术领域

本发明涉及一种储能器组件并且涉及一种用于运作这种组件的方法，该储能器组件包括多个串联连接的电池并且包括一个控制单元，其中这些串联连接的电池被连接到该储能器组件的一个电输出端上。

背景技术

大功率蓄电池(像例如用作电动车辆中的储能器)通常包括相互连接的多个原电池以便满足在供电电压、功率输出和容量方面对储能器的要求。

作为用于原电池的基础性技术，基于所使用的材料而命名的不同的电化学过程是可供使用的。这些具体地包括锂离子、锂聚合物、镍金属氢化物或磷酸铁锂技术。

所有这些可供使用的技术共有同特征是多个事实上相同并且已经运行了相同时间量的电池具有略微不同的特性，例如这是由于生产公差和/或热学的或机械的影响。

其结果是，它们具有不同的充电和放电特征，这造成单独的电池被加载到更大的程度并且因此过早地损毁，这继而导致整个蓄电池的失效。

DE 10345306A1披露了一种用于对具有单独的电池抽头的车辆电池进行充电并监测的装置，在这种情况下，可以用更高的电压对这些单独的电池中的一些进行充电，并且在放电运作过程中单独地对这些单独的电池进行监测。

DE 10 2008 005 208A1披露了一种补偿性安排，它包括安排在多个电池之间的多个开关，借助这些开关可以将这些电池在一种正常配置或一种补偿性配置下进行组合。在补偿性配置中，在充电运作之前，在这些电池之间发生了一种受控的充电平衡。

DE 10 2006 022 394说明了一种用于对具有多个电池的电源的充电进行平衡的装置，其中监测了一个单独的电池电压与一个可变参考值(具体地是所有电池的平均电压值)的偏差，并且如果必要的话就启动一个放电运作。

发明内容

本发明所基于的目的是提供一种在开篇时所提及类型的储能器组件，该组件具有改进的特性。

这是根据本发明通过根据权利要求1的前序部分的一种储能器组件进行的，其中将这些串联连接的电池中的至少一些通过对应地并联连接的、无电势的、受控的多个转换器和控制单元连接到该电输出端以及该控制单元上，这样在充电、放电和反向充电运作过程中，这些电池各自根据这个电池的个体性能特征由这些转换器和控制单元通过选择性电流消耗来运行的，并且在储能器组件的电输出端处流出的一个总电流是由流过这些串联连接的电池的一个基础电流以及多个附加电流形成的，这些附加电流是根据这些单独的电池的容量而从它们中取出的。

根据本发明的储能器组件使之有可能使用具有不同电气特性的电池，省略了需要在生产过程中进行复杂的选择程序。此外，还使之有可能替换有缺陷的电池。在常规蓄电池的情况下这并不是非常方便的，因为新增加的电池总体上具有与已经存在的电池不同的电气特性。如果必要的话，还可以在运作中进行这种替换，而无需将储能器组件从负载上断开。

有利的是，如果这些无电势的转换器和控制单元包括多个开关式转换器。

本发明的一个主要优点是这些电池至少部分地可以是基于不同的基础技术的。这些基础技术具有不同的优点和缺点。通过结合不同类型的电池，可以获得具有优化的特性的储能器组件。

对于所谓的二次使用概念，根据本发明的解决方案还产生了多个主要的优点，其中，例如锂离子蓄电池在车辆中的使用已经结束之后将用于其他目的，例如像用作光伏设备的储能器。

根据本发明的一个有利的改进，一个转换器和控制单元对应地被配属给一组相同的电池。

对于某些应用而言方便的是，不为每一个单独的电池、而是只对应地为一组相同的电池配属一个转换器和控制单元。

对于储能器组件同样有利的是，它具有一种模块式的构造，其方式为使得每个无电势的、受控的转换器和控制单元与对应地相关的电池或电池组形成一个结构性单元，即一个电池模块，该电池模块是通过多个可释放的连接元件而电气地并机械地连接到储能器组件上。这些电池模块的连接元件有利地是可释放的连接，将其方便地设计成插入式接头。

根据本发明的这种构造使之有可能根据对应的运作区域所要求的电气性能数据而将这些电池模块灵活地结合到多个储能器组件中。此外，很容易地能够在一个初始化阶段中确定这些电池的个体特性、并且还能够按希望对这些电池模块进行替换。为了这一目的，还可以设想在一种标准化的支架中安装该储能器组件，例如像所谓的“19英寸支架”，其中该支架的后侧(所谓的背板)具有多个用于滑入式模块的插槽，在当前的情况下这种插槽是用于控制单元以及这些电池模块。背板承载有用于这些滑入式模块的插入式接头并且对它们进行电气连接。

有关电池特性的综合信息可以用于分析电池的具体特性及其变化。

例如，这允许对可能的电池缺陷的早期检测(如具体地在锂电池的情况下可以检测到的情况)，并且允许其信令通过这些连接元件BMS-V并且还有控制单元BMS-C到达外部装置。

具体而言，还可以检测并且防止在锂离子蓄电池的情况下所担心的热失控。

此外，基于所确定的参数，有可能做出关于储能器组件的剩余容量的准确判断，并且如果用在电动车辆中，有可能给出对剩余范围的精确表示。

本发明所基于的目的同样是通过一种用于运作如在权利要求1至6中所述的储能器组件的方法来实现的，其中：

在一个初始化阶段中，确定这些电池的个体特性，并且其中，

在充电、放电和反向充电运作过程中，连续地检查这些电池的当前状态，并且其中，

基于在电气意义上最弱的电池的容量来确定用于这些串联连接的电池的一个基础电流，并且其中，

通过相应地启动这些转换器和控制单元，通过根据这些单独的电池的容量对它们单独加载来提供该基础电流与储能器组件的电输出端处流动的总电流之间的差值。

附图说明

根据在附图中展示的一个示例性实施方案对本发明进行更详细地解释，其中通过举例：

图1示出了整个组件的一个框图，并且

图2示出了转换器和控制单元的一个绘图。

具体实施方式

如在图1中所示出的、根据本发明的储能器装置除包括多个原电池Z1，Z2，…Zn之外还包括一个控制单元BMS-C、一个连接单元BMS-V，并且还包括为这些原电池Z1，Z2，…Zn中的每一个对应地配属的一个转换器和控制单元IR1，IR2，…IRn。这些原电池Z1，Z2，…Zn是通过连接线8串联地连接的，以便获得所希望的储能器组件电压，这个电压位于该储能器组件的输出端5，6处以便为负载供电。

控制单元BMS-C通过数据连接11被连接到这些转换器和控制单元IR1，IR2，…IRn上。通过系统总线9，另外有可能使控制单元BMS-C与其他系统(例如像车辆控制系统、或者充电器)进行数据交换。

借助一个可任选的诊断接口10，可以对控制单元BMS-C或储能器组件进行配置和监测。

一方面，连接单元BMS-V可以用于将这些转换器和控制单元IR1，IR2，…IRn的输出端彼此连接、并且连接到储能器组件的正端子5和负端子6上，而另一方面，可以用于将这些转换器和控制单元IR1，IR2，…IRn的数据线连接到控制单元BMS-C的数据连接11上。

省略了连接单元BMS-V中的开关使之有可能避免易出错的、并且(在电路断路器的情况下)昂贵的元件。虽然半导体开关是无需维护的，然而在大电流的情况下它们一般是昂贵的。

如果将该储能器组件安装在一种标准化的支架中，例如像所谓的“19英寸支架”，那么连接单元BMS-V是由该支架的后侧(所谓的背板)形成的，该支架后侧具有多个用于滑入式模块的插槽，在当前的情况下这种插槽是用于控制单元以及这些电池模块。背板承载有用于这些滑入式模块的插入式接头并且将它们电气地连接。

根据本发明的储能器组件的功能如下：

在其交货时的典型状态下，全新的储能器组件是部分充电的。

这些转换器和控制单元IR1，IR2，…IRn各自具有来自初始化过程的、关于所配属的电池或电池组的必要参数的信息，例如像电池类型、最大充电终止电压、最小放电电压、额定负载(容量)、阻抗、等等。

在一种有利的方式中，这些转换器和控制单元IR1，IR2，…IRn是作为一个结构性单元而与对应地配属的原电池Z1，Z2，…Zn或电池组一起生产的，即作为通过接头而电气地并机械地连接到蓄电池单元上的电池模块。

在这种情况下，在进行组装操作以形成一个储能器组件之前，已经通过这些转换器和控制单元IR1，IR2，…IRn对电池参数进行了初始检测。因此，在组装操作之后，可以立即将这些参数传递给控制单元BMS-C。这样做的一个先决条件是，在这些转换器和控制单元IR1，IR2，…Irn中有非易失性的数据存储器。

基于这一信息、以及对这些原电池Z1，Z2，…Zn中的每一个的充电状态和对电输出端处流动的总电流的连续监测，控制单元BMS-C确定了流过这些串联连接的电池的基础电流的最佳值、并且还根据这些单独的电池Z1，Z2，…Zn的容量确定了有待从这些单独的电池中取出的附加电流的最佳值。

其结果是，每个电池的放电运作是由这些转换器和控制单元IR1，IR2，…IRn单独控制的，以便达到基础电流和这些附加电流的确定值。

与附加电流相比基础电流是相对大的事实意味着可以避免大型的、并且因此昂贵的转换器单元。

在储能器组件的总电流为例如50安培的情况下，串联连接的电池Z1，Z2，…Zn加载有例如48安培的基础电流。剩余的2安培附加电流由这些转换器和控制单元IR1，IR2，…IRn通过对具有更大容量的电池进行单独加载来供应。

流过对应地最弱的电池(例如第一电池Z1)的电流因此是48安培，而更强的电池(例如第二电池Z2)通过所配属的第二转换器和控制单元IR2而加载有52安培的电流，即48安培的基础电流并加上4安培的附加电流。这个4安培的附加电流被第二转换器和控制单元IR2转换为储能器组件的输出电压的电压水平，因此通过输出电压与电池电压的比值并且通过在转换器中的较小损失降低了它对总电流的贡献。以类似的方式，其他的电池Z3，…Zn根据它们的容量而通过对应地配属给它们的这些转换器和控制单元IR3，…IRn对总电流做出贡献。

对附加电流消耗的控制是动态地进行的，即根据这些单独的电池的参数的变化。因此，基础电流与附加电流之比将根据这些单独的电池的放电变化而改变。在一个电池完全失效的情况下，这甚至可以导致基础电流的量值趋向于零、并且完全被完好的电池的附加电流总和替代。

另一方面，在充电运作的情况下，将由控制单元BMS-C来确定这些电池Z1，Z2，…Zn中之一的电压何时接近该电池的个体的充电终止电压。在这一情况下，使得对应地配属的转换器和控制单元IR1，IR2，…IRn将之后多余的能量从该电池返回到整个系统中。在这种情况下，自对应的电池(例如第n个电池Zn)通过所配属的第n个转换器和控制单元IRn流入其他串联连接的电池Z1，Z2，…Zn-1的附加电流因此被加强，这样使得该附加电流降低了储能器组件的总体能耗(在这种情况下也就是说所消耗的总电流)，由此允许更有效地实现充电运作。随着充电运作的继续，越来越多的电池Z1，Z2，…Zn将达到它们的个体的充电终止电压并且通过所配属的转换器和控制单元IR1，IR2，…IRn将多余的电荷作为附加电流馈送入整个系统中，这样使得在这种情况下整个系统的能耗变得显著地更小。

当储能器组件处于休止状态下时，即当既没有活跃的充电运作也没有活跃的放电运作时，取决于电池的类型，存在一种所谓的自放电。类似地，这是随电池而不同的，并且如果将它完全地耗尽，可以导致电池Z1，Z2，…Zn的损毁。

因此，根据本发明，在储能器组件的休止状态下进行了一种反向充电运作。

这是通过强制将一个电流从具有更大容量的电池通过所配属的转换器和控制单元IR1，IR2，…IRn流入这些串联连接的电池中来进行的，于是整个组件被充电，并且因此防止更弱的电池过早放电并损毁。

根据本发明的一个转换器和控制单元IR1，IR2，…IRn的构造基于图2进行了说明，该转换器和控制单元在输入侧上连接到对应地配属的电池上并且在输出侧上连接到储能器组件的电输出端上。

每个转换器和控制单元IR1，IR2，…IRn包括一个控制元件12、一个包括一个变压器17的电绝缘平台、一个整流器18、一个滤波电容器19、一个保险丝20(它可以被配置为一个可逆保险丝)、以及一个过电压限制单元21。

同样提供的是一个开关元件14用于将DC电池电压转换为AC电压、一个电流传感器13、一个用于温度和其他重要的蓄电池参数传感器单元22以及一个通信单元15用于将该控制单元相对于控制单元BMS-C连接到数据接口11上。

开关元件14与变压器17、整流器18、滤波电容器19以及保险丝20一起形成了一个开关式转换器，借助该开关式转换器可以将电池的DC电压转换为AC电压、变压到储能器组件的输出电压的水平并且然后进行整流。

从电池中取出的电流量是由开关元件14的脉宽调制来确定的。取决于相应的、由控制单元BMS-C给出的预选值，开关元件14的控制是由控制元件12进行的。从电池中取出的附加电流是借助电流传感器13测量的。

对于转换器和控制单元IR1，IR2，…IRn的尺寸确定，下列的因素是决定性的：

必须有可能传输在极端情况下由一个单独的电池进行平衡的功率。因此，如果储能器组件具有例如20个电池Z1，Z2，…Zn并且其目的是能够对一个电池的完全失效进行补偿，那么转换器因此必须能够传输该单独的电池的标称功率的大约5％，因为自然其他19个可工作的电池做出了它们的贡献。如果有n个电池，那么这个因子是1/(n-1)。

为了补偿多个电池的完全失效，有必要将这些转换器单元设计为具有相应地更大的容量。

关于对应的电池的状态的信息是通过这些用于测量电池参数(温度、电压和电流)的传感器22来获得的，它们是通过控制单元12来启动的。控制单元12存储了相应的值并且将它们传递给控制单元BMS-C。

为了这个目的，使用了一个通信单元15，在最简单的情况下它可以被配置为具有介电绝缘的一个接口适配器并且用于在控制单元12和控制单元BMS-C之间平衡信号电压。

只要使用了不同技术的Z1，Z2，…Zn电池，根据本发明的组件就产生其特别的优势。例如，这对于将用于较低的长期负载的电池与用于较高的短期负载的电池进行组合是合适的。该组件在放电的情况下对于将多个原电池与多个能量转换器(例如像燃料电池)进行组合类似地也是有利的，这些燃料电池作为个体参数(如气体供应、电极的表面特性、等等)的结果具有不同的性能特征。

通过将当前的电池参数(例如像温度、电压和电流)与所储存的更旧的测量值进行比较并且估计其变化，对电池的具体特性及其变化进行分析是可能的。

例如，这允许对可能的电池缺陷的早期检测(如具体地在锂电池的情况下可以检测到的情况)，并且允许其信令通过连接元件BMS-V以及控制单元BMS-C到达外部装置。

具体而言，还可以检测并且防止在锂离子蓄电池的情况下所担心的热失控。这被归咎为是导致最近时常发生的膝上计算机电池着火的原因。

由在空间上分离的部件来构造转换器和控制单元IR1，IR2，…IRn可能是有利的，这样使得仅一个用于电池数据的存储器与该电池一起形成了一个结构性单元，而转换器和控制单元IR1，IR2，…IRn的其他部件被附连到储能器组件的后壁(所谓的背板)上。

如已经提出的，根据本发明的解决方案使储能器组件在即使单独的电池失效时仍能够工作。这种特性还可以用于在替换单独电池的过程中使有可能令一个储能器组件运作不受干扰，这是通过在替换一个电池的过程中将基础电流的量值趋向于零的、并且由其他电池的这些附加电流之和将其完全替代。

这些电池特性的准确知识还可以用于非常精确地确定该储能器组件的剩余容量。在与车辆相结合，这允许非常精准地确定仍可覆盖的距离。

Claims (12)

1.一种储能器组件，包括串联连接的多个电池并包括一个控制单元，其中这些串联连接的电池被连接到该储能器组件的一个电输出端上，其特征在于，将这些串联连接的电池(Z1，Z2，…Zn)中的至少一些通过对应地并联连接的、无电势的、受控的多个转换器和控制单元(IR1，IR2，…IRn)连接到该电输出端(5，6)以及该控制单元(BMS-C)上，这样在充电、放电和反向充电运作中，这些串联连接的电池(Z1，Z2，…Zn)各自根据这个电池(Z1，Z2，…Zn)的个体性能特征于由这些转换器和控制单元(IR1，IR2，…IRn)通过选择性电流消耗来运行的，并且在该储能器组件的电输出端(5，6)处流出的一个总电流是由流过这些串联连接的电池(Z1，Z2，…Zn)的一个基础电流以及多个附加电流形成的，这些附加电流是根据这些单独的电池(Z1，Z2，…Zn)的容量而从它们中取出的。

2.如权利要求1所述的储能器组件，其特征在于，这些无电势的、受控的转换器和控制单元(IR1，IR2，…IRn)包括多个开关式转换器(14，17，18，19)。

3.如权利要求1或2所述的储能器组件，其特征在于，这些电池(Z1，Z2，…Zn)至少部分地是基于不同的基础技术的。

4.如权利要求1至3之一所述的储能器组件，其特征在于，一个转换器和控制单元(IR1，IR2，…IRn)对应地被配属给一组相同的电池(Z1，Z2，…Zn)。

5.如权利要求1至4之一所述的储能器组件，其特征在于，每个无电势的、受控的转换器和控制单元(IR1，IR2，…IRn)与该对应地相关的电池(Z1，Z2，…Zn)或电池组形成一个结构性单元，该结构性单元是通过多个可释放的连接元件(BMS-V)而电气地并机械地连接到该储能器组件上。

6.如权利要求5所述的储能器组件，其特征在于，提供了多个插入式接头作为这些可释放的连接元件(BMS-V)。

7.一种用于运作如权利要求1至6之一所述的储能器组件的方法，其特征在于，

在一个初始化阶段中，确定这些电池(Z1，Z2，…Zn)的个体特性，并且其特征在于，

在充电、放电和反向充电运作过程中，连续地检查这些电池(Z1，Z2，…Zn)的当前状态，并且其特征在于，

基于在电气意义上最弱的电池的容量来确定用于这些串联连接的电池(Z1，Z2，…Zn)的一个基础电流，并且其特征在于，

通过相应地启动这些转换器和控制单元(IR1，IR2，…IRn)，通过根据这些单独的电池(Z1，Z2，…Zn)的容量和电力要求而对它们单独加载来提供在该储能器组件的电输出端(5，6)处流动的该基础电流与总电流之间的差值。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，将在充电、放电和反向充电运作过程中确定的这些电池(Z1，Z2，…Zn)的电流和个体特性与所储存的更旧的值进行比较，并且将其用作获得这些电池的未来状态的预报的基础。

9.如权利要求8所述的用于运作储能器组件的方法，其特征在于，这些电池(Z1，Z2，…Zn)的个体特性是相对于这些电池的热失控的风险而进行评估的。

10.如权利要求7所述的用于运作储能器组件的方法，其特征在于，这些电池(Z1，Z2，…Zn)的替换是在该储能器组件的运作过程中进行的。

11.如权利要求7所述的用于运作储能器组件的方法，其特征在于，将在充电、放电和反向充电运作过程中确定的这些电池(Z1，Z2，…Zn)的电流和个体特性用于确定该储能器组件的剩余电容量。

12.如权利要求1至4之一所述的储能器组件，其特征在于，每个无电势的、受控的转换器和控制单元(IR1，IR2，…IRn)具有一个存储器单元，该存储器单元在结构上是与该转换器和控制单元的其他部件分离的并且与对应地相关的电池(Z1，Z2，…Zn)或电池组形成一个结构性单元。

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