CN102473970A - 电池系统中用于能量传输的开关调节器串联电路 - Google Patents

电池系统中用于能量传输的开关调节器串联电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于电池系统的能量传输器，此能量传输器包括具有两个输入端和两个输出端的第一和第二初级DC/DC转换器(24，34，44，54)。其输入端被构造为连接电池模块(20，30，40，50)并且第一、第二初级DC/DC转换器(24，34，44，54)在输出侧串联连接。此能量传输器包含至少一个具有两个输入端和一个第一输出端的第一次级DC/DC转换器(26-1，36-1，46-1，56-1)，其两个输入端与第二初级DC/DC转换器(24-2，34-1，44-2，54-2)的输出端相连接并且其第一输出端与第一初级DC/DC转换器(24-1，34-2，44-1，54-1)输出端之一相连接。

Description

电池系统中用于能量传输的开关调节器串联电路
背景技术
对在固定的应用如风力发电设备和应急电源系统以及其在车辆中使用的电池系统的需求持续增加。所有这些应用均对可靠性和故障安全性有较高要求。原因在于：一个由电池系统引起的电压供给完全故障能够导致整个系统的故障。所以在风力发电设备中使用电池，以便在强风时调节转动叶片且保护设备免受过量的机械负载，此种负载可能会对风力发电设备产生伤害甚至将其毁坏。在电动汽车的电池故障的情况下车辆是不能开动的。应急电源系统应该恰好重新确保如救护车不中断运行并且因此应急电源系统本身尽可能不要发生故障。
为了能够提供用于各种应用所要求的功率和能量，各电池单元被串联地且除此之外另外并联地连接起来。图1描绘了电池串联电路的一个电路原理图。大量电池单元10-1至10-n被串联连接起来，以便通过累加单个电池单元10-1，......，10-n的电压来达到比如汽车中电动发动机所要求的高工作电压。此高工作电压能够通过输出侧开关11-1，11-2由接下来的未示出的功率电子器件如逆变器去耦。因为电池总输出电流由于电池单元10-1，......，10-n的串联而流经每个电池单元10-1，......，10-n，其中在电池单元10-1，......，10-n内部通过电化学过程产生电荷迁移，在极端状况下单个电池单元的故障意味着整个装置不能再提供电流，并且因此不能再提供电能。为了能够及时识别电池单元10-1，......，10-n具有威胁性的故障，通常会应用所谓的电池管理系统12，此电池管理系统与各电池单元10-1，......，10-n的两极已连接或者可连接并以固定或者可选的间隔确定各电池单元10-1，......，10-n运行参数，如电压、温度，并由此确定其充电状态(State of Charge，SoC)。这意味着电池系统电子运行数据低灵活性的同时的高花费。
大量电池单元串联还有如下缺点：
1.针对将用电池驱动的设备的不同运行状态，设置关于所提供的工作电压、最大电流和存储能量的条件，只有当多于实现各种要求实际必需的电池单元被耦接起来时，这些条件才能一致。这会提高价格且特别是用于电动汽车时会增加电池系统的有影响的重量和体积。
2.因为通过串联电路累加各个电池单元电压，在直至1000V的高压下实现电池安装，即各个电池单元的联接，因此单个或者整个模块电池的更换不能在本地的工场进行，或在固定的应用情况下只能由经过特殊培训的专业人员用专业工具进行。由此在故障情况下的电池系统维护产生高物流费用。
3.为了不带电压地关断电池系统，这就是说把本来的电池和负载分开，必须设计功率开关11-1和11-2，其典型地被实现为继电器且用于期望高电流和电压的继电器是非常昂贵的。
发明内容
本发明的任务是引入一种能够克服背景技术中所述缺点的装置。
本发明的第一个方面涉及用于电池系统的能量传输器，此能量传输器包含各自具有两个输入端和两个输出端的第一和第二初级DC/DC转换器，其中输入端被构造为用于连接电池模块，且其中第一和第二初级DC/DC转换器在输出侧串联连接。依据本发明此能量传输器包含至少一个具有两个输入端和一个第一输出端的第一次级DC/DC转换器，其两个输入端与第二初级DC/DC转换器的输出端相连接，并且其第一输出端与第一初级DC/DC转换器输出端之一相连接。
本发明具有优点：在输出侧串联连接的初级DC/DC转换器产生不依赖于电池模块的电压并因此不依赖于其充电状态的可选输出电压，其中和第一、第二初级DC/DC转换器相连接的电池模块能够加不同强度的负荷。通过第一次级DC/DC转换器使这一点成为可能，其输入端与第二初级DC/DC转换器的输出端相连接，并且当第一次级DC/DC转换器被激活时从第二初级DC/DC转换器获取能量且将其通过与第一初级DC/DC转换器的输出端相连接的第一输出端传输。由此减轻第一初级DC/DC转换器及连接在其输入侧的电池模块的负荷。本发明以此方式允许所谓的负荷平衡(Load-Balancing)，其中每个电池模块的充电状态尽可能的一样，以至于没有电池单元放电到临界值以下，尽管其他电池单元还能够提供更多能量。
此外DC/DC转换器的引入使得选择视运行情况而定的合适的总电压成为可能，因为各个DC/DC转换器的输出电压能够以已知方式调整。除此之外输出电压不依赖于初级侧所连接的电池单元数量。由此电池系统的设计能够只根据能量和功率标准而不依赖于各种应用所要求的总电压来进行。另一个优点是：能够不采用昂贵的继电器11-1、11-2，因为电池输出端的高电压能够通过断开DC/DC转换器轻松断开。
能量传输器优选地具有带两个输入端的第二次级DC/DC转换器，其两个输入端与第一初级DC/DC转换器的输出端相连接。在此，第二次级DC/DC转换器还具有与第二初级DC/DC转换器输出端之一相连接的第一输出端。其中第二次级DC/DC转换器被构造为从第一初级DC/DC转换器获取能量并将其传输到第二初级DC/DC转换器。由此使得成为可能的是：不仅能够通过从第二向第一初级DC/DC转换器传输能量来实现补偿，还能够相反地从第一初级DC/DC转换器向第二初级DC/DC转换器传输能量。显然能够串联连接更大数量的初级DC/DC转换器，其中在每个初级DC/DC转换器的输出端连接一个次级DC/DC转换器。
能量传输器特别优选地具有第三初级DC/DC转换器，其具有两个被构造为用于与电池模块相连接的输入端和两个输出端。第三初级DC/DC转换器与第一、第二初级DC/DC转换器在输出侧串联连接，以便第二初级DC/DC转换器与第一和第三初级DC/DC转换器直接相连接，也就是说第二初级DC/DC转换器被布置在串联电路的中间。第一次级DC/DC转换器包含与第三初级DC/DC转换器输出端相连接的第二输出端。因此第一次级DC/DC转换器能够从第二初级DC/DC转换器获取能量并将其以可选方式通过第一输出端传输到第一初级DC/DC转换器或通过第二输出端传输到第三初级DC/DC转换器。当串联连接了更高数量的初级DC/DC转换器时，能够设计与之相对应数量的次级DC/DC转换器，其能够各自将能量传输到两侧相邻的初级DC/DC转换器中的一个。由此能够达到对于能量分布的特别高的灵活性以及由此达到对于不同电池模块的负荷的特别高的灵活性。举例来说如果从一个初级DC/DC转换器通过与之对应的次级DC/DC转换器获取能量并且传输到相邻的初级DC/DC转换器，与该相邻的初级DC/DC转换器相连接的次级DC/DC转换器能够将该能量直接继续传输到下一个初级DC/DC转换器。优选地，串联电路中的最上面和最下面的初级DC/DC转换器(在有第一、第二和第三初级DC/DC转换器的例子中，也就是指第一和第三初级DC/DC转换器)与次级DC/DC转换器相连接，其要么只有第一输出端要么只有第二输出端，因为最上面和最下面的初级DC/DC转换器只有一个相邻的初级DC/DC转换器。
电路技术上能够将第一次级DC/DC转换器设计为从第二初级DC/DC转换器中获取能量且在所述能量传输器的为电池模块放电的放电模式中，将所述能量传输到所述第一初级DC/DC转换器；在所述能量传输器的为电池模块充电的充电模式中，将所述能量传输到所述第三初级DC/DC转换器。以这样的方式通过能量传输器的运行模式来实现选择通过第一次级DC/DC转换器的哪个输出端来传输从第二初级DC/DC转换器中获取的能量。当从电池模块获取能量时，比如当装备有相应能量传输器的机动车加速时，能量分给第一初级DC/DC转换器；当机动车制动且制动能量通过发电机送回电池模块时，能量分给第三初级DC/DC转换器。
有利地，第一次级DC/DC转换器具有一个线圈、一个第一开关和一个第一二极管。线圈和第一开关串联连接在第一次级DC/DC转换器的输入端之间，二极管连接在线圈与第一开关之间的连接点和第一次级DC/DC转换器的第一输出端之间。
在具有第一和第二输出端的第一次级DC/DC转换器的优选方案中，第一次级DC/DC转换器此外还具有第二开关和第二二极管，其中第二开关与第一开关和线圈串联连接在第一次级DC/DC转换器的输入端之间，以使得线圈连接在第一、第二开关之间。第二二极管连接在线圈与第二开关的连接点和第一次级DC/DC转换器的第二输出端之间。
每个初级DC/DC转换器能够包含用于控制信号的控制输入端且被构造为：根据所述控制信号的接收，将初级DC/DC转换器的输出端相互电气连接且将所述初级DC/DC转换器的输入端中的至少一个电气去耦。此实施例允许在运行时选择性地关断初级DC/DC转换器，因为输入侧连接的电池模块的电池单元可能损坏。通过初级DC/DC转换器的输出端的连接输出电流能够继续流经整个装置。为了不继续给电池模块加负荷，其将被去耦。因此该实施例使得装置能够持续运行，尽管某个或某几个电池单元发生故障。此外此实施例使得在运行过程中在必要时替换某个电池模块成为可能，而不必中断总电压的产生。
本发明第二方面引入具有根据本发明的第一方面所述的能量传输器和多个电池模块的电池系统。此电池模块各自具有至少一个电池单元。此电池模块的电极与能量传输器的DC/DC转换器的第一和第二输入端中相应的输入端以可松开方式连接。
本发明第三方面涉及一种具有依据本发明第一方面所述的能量传输器的机动车。
附图说明
下面将根据关于实施例的附图进一步阐述本发明。附图中：
图1示出了具有背景技术中电池管理系统的电池；
图2示出了本发明第一实施例的第一种方案；
图3示出了本发明第一实施例的第二种方案；
图4示出了本发明第二实施例，且
图5示出了本发明第三实施例的详细电路图。
具体实施方式
图2示出了本发明第一实施例的第一种方案。两个各自具有多个电池单元21-1至21-n或22-1至22-n的电池模块20-1和20-2分别与初级DC/DC转换器24-1和24-2的输入端相连接。初级DC/DC转换器24-1和24-2能够根据已知方式构建并产生不依赖于且能够高于电池模块20-1和20-2电压的输出电压。有利地，为了能够精确控制输出电压，初级DC/DC转换器同时具有一个内部反馈电路。初级DC/DC转换器24-1、24-2的输出端分别与缓冲电容25-1或25-2相连接，缓冲电容使得各个初级DC/DC转换器24-1、24-2的输出电压变得稳定且用作短时蓄能器。初级DC/DC转换器24-1、24-2在输出侧串联连接，其中最上面的初级DC/DC转换器24-1与装置的正输出端相连接，且最下面的初级DC/DC转换器24-2与装置的负输出端相连接。所示的第一实施例的第一种方案具有一个次级DC/DC转换器26-1，其输入端与初级DC/DC转换器24-2的输出端相连接并从而与缓冲电容25-2的两端相连接。次级DC/DC转换器26-1被构造为在激活时从初级DC/DC转换器24-2获取能量且将其通过第一输出端传输到初级DC/DC转换器24-1的输出端，以便于减轻其负荷。以这样的方式初级DC/DC转换器24-1必须从在其输入端相连接的电池模块20-1中获取更少的能量，以使其输出电压保持稳定。由此能够在次级DC/DC转换器26-1激活时减轻电池模块20-1的负荷且增加电池模块20-2的负荷，其能够用于补偿电池模块的不同的充电状态。原则上还能够短时间断开初级DC/DC转换器24-1且让次级DC/DC转换器26-1承担其作用。
图3示出了本发明第一实施例的第二种方案。所示第一实施例的第二种方案尽可能符合第一种方案，以至于第一种方案中描述的也相应地适用于第二种方案。和第一种方案唯一本质上的区别在于：次级DC/DC转换器36-1在输入侧不是与最下面的初级DC/DC转换器34-2连接，而是与最上面的初级DC/DC转换器34-1相连接。此外次级DC/DC转换器不包含第一输出端，而只包含第二输出端，其第二输出端与初级DC/DC转换器34-2的一个输出端相连接。第二种方案允许将能量从第一初级DC/DC转换器34-1传输到第二初级DC/DC转换器34-2，以便于在第一实施例的第二种方案中减轻第二初级DC/DC转换器34-2的负荷且增加第一初级DC/DC转换器34-1的负荷。显然第一实施例的第一种和第二种方案的组合也是可能的，以便引入两个次级DC/DC转换器且以可选方式使得能量从一个初级DC/DC转换器传输到另外一个初级DC/DC转换器。
图4示出了本发明第二实施例。示出的实施例包含三个初级DC/DC转换器44-1至44-3，三个初级DC/DC转换器在输入侧分别与电池模块40-1至40-3连接。每个电池模块40-1至40-3包含一个或多个电池单元41-1至41-n、42-1至42-n以及43-1至43-n。初级DC/DC转换器44-1至44-3的输出端分别与缓冲电容45-1至45-3相连接并串联连接在一起。第一次级DC/DC转换器46-1在输入侧与第二初级DC/DC转换器44-2的输出端相连接并在激活时从其获取能量。第一次级DC/DC转换器46-1具有两个输出端，其中一个与上面相邻的初级DC/DC转换器44-1的输出端相连接，另一个与下面相邻的初级DC/DC转换器44-3的输出端相连接。通过第一次级DC/DC转换器46-1的相应的控制，能够将从第二初级DC/DC转换器44-2获取的能量传输到上面的初级DC/DC转换器44-1，或者传输到下面的初级DC/DC转换器44-3。同样能够交替地给下面和上面的初级DC/DC转换器44-1和44-3传输能量，以便于平均地从第二初级DC/DC转换器44-2向两个相邻的初级DC/DC转换器44-1和44-3传输能量。
为了提高装置的灵活性能够设计后续的次级DC/DC转换器46-2、46-3(图中虚线所示)，其输入端与上面的初级DC/DC转换器44-1或者下面的初级DC/DC转换器44-3相连接。因为两个初级DC/DC转换器44-1和44-3各自只有一个相邻的初级DC/DC转换器，所以次级DC/DC转换器46-2和46-3只需具有第一或第二输出端即可，从而使得能量从第一初级DC/DC转换器44-1传输到第二初级DC/DC转换器44-2，或从第三初级DC/DC转换器44-3传输到第二初级DC/DC转换器44-2成为可能。通过此装置能量能够从每个初级DC/DC转换器44-1至44-3传输到其他任一个初级DC/DC转换器44-1至44-3中，必要时通过中继站，例如，能量从第一初级DC/DC转换器44-1传输到第二初级DC/DC转换器44-2的同时，能量从第二初级DC/DC转换器44-2传输到第三初级DC/DC转换器44-3。显然可能的是，将图示结构扩展到更高数量的初级和次级DC/DC转换器。
图5示出了本发明第三实施例的详细电路图，其中共计五个初级DC/DC转换器54-1至54-5，其在输出侧串联连接。初级DC/DC转换器54-1至54-5被实施为简单的升/降压转换器具有开关S2、S3，线圈L1和二极管D3。然而还能够设想很多其他已知的DC/DC转换器结构。初级DC/DC转换器54-1至54-5各自具有一个额外的开关S1，其被构造为将在输入侧各自连接的电池模块50-1至50-5从初级DC/DC转换器54-1至54-5电气去耦并且因此使其失效。开关S2和S3能够同时闭合，由此各个初级DC/DC转换器54-1至54-5的输出端相互电气导通连接，以便于各个初级DC/DC转换器54-1至54-5成中性且失效，从而不会干扰剩余的初级DC/DC转换器54-1至54-5的作用。进一步地可能的是，为了在初级DC/DC转换器54-1至54-5中某个发生故障时使整个装置的输出电压保持稳定，提高剩余的初级DC/DC转换器54-1至54-5中某个或某几个的电压。
为了稳定初级DC/DC转换器54-1至54-5各自的输出电压，每个初级DC/DC转换器54-1至54-5在输出侧均如前所示那样与缓冲电容C1至C5相连接。此外为每个初级DC/DC转换器54-1至54-5各自分配了一个次级DC/DC转换器56-1至56-5。另一方面最上面和最下面的次级DC/DC转换器56-1和56-5各自只有第一或第二输出端，因为能量只会传输到一个相邻的初级DC/DC转换器54-2或54-4。与之相反地中间次级DC/DC转换器56-2至56-4各自具有第一和第二输出端，以便于能够将能量传输到上面和下面一个相邻的初级DC/DC转换器54-1至54-5。次级DC/DC转换器56-1至56-5各自具有线圈L2和与线圈一起串联连接在次级DC/DC转换器56-1至56-5的输入端之间的开关S4、S5。中间的DC/DC转换器56-2至56-4还额外具有另一个开关，此开关与第一开关和线圈L2串联连接，以使得开关S4和S5分别连接在线圈L2相对的两端上。次级DC/DC转换器56-1至56-5的第一和第二输出端通过一个二极管D1或D2，分别从线圈L2与第一开关S4或线圈L2与第二开关S5之间的相应的连接点通到上面或者下面相邻的初级DC/DC转换器54-1和54-5的一个输出端。
其中二极管D1和D2被如此连接，以便从整个装置获取能量时，例如一辆具有该整个装置的机动车加速时，将能量通过第一输出端和第一二极管分别传输到上面相邻的初级DC/DC转换器54-1至54-4；以及例如一辆具有该整个装置的机动车制动或者静态充电时，在将能量送回或引入到电池模块50-1至50-5中时，能够通过第二输出端和第二二极管各自传输给下面相邻的初级DC/DC转换器54-2至54-5。

Claims (10)

1.一种用于电池系统的能量传输器，所述能量传输器包括各自具有两个输入端和两个输出端的第一和第二初级DC/DC转换器(24，34，44，54)，其中所述输入端被构造为用于连接电池模块(20，30，40，50)并且其中所述第一和第二初级DC/DC转换器(24，34，44，54)在输出侧串联连接，其特征在于包括至少一个具有两个输入端和一个第一输出端的第一次级DC/DC转换器(26-1，36-1，46-1，56-1)，所述两个输入端与所述第二初级DC/DC转换器(24-2，34-1，44-2，54-2)的所述输出端相连接，并且所述第一输出端与所述第一初级DC/DC转换器(24-1，34-2，44-1，54-1)的所述输出端之一相连接。
2.根据权利要求1所述的能量传输器，其中，所述第一次级DC/DC转换器(26-1，36-1，46-1，56-1)被构造为从所述第二初级DC/DC转换器(24-2，34-1，44-2，54-2)获取能量并将其传输到所述第一初级DC/DC转换器(24-1，34-2，44-2，54-2)。
3.根据权利要求1或2所述的能量传输器，包括一个具有两个输入端和一个第一输出端的第二次级DC/DC转换器(26-1，36-1，46-2，46-3，56-1，...，56-5)，所述两个输入端与所述第一初级DC/DC转换器(24-1，34-2，44-1，44-3，54-1，...，54-5)的所述输出端相连接，并且所述第一输出端与所述第二初级DC/DC转换器(24-2，34-1，44-2，54-2，...，54-4)的所述输出端之一相连接，其中所述第二次级DC/DC转换器(26-1，36-1，46-2，46-3，56-1，...，56-5)被构造为从所述第一初级DC/DC转换器(24-1，34-2，44-1，44-3，54-2，...，54-4)获取能量并将其传输到所述第二初级DC/DC转换器(24-2，34-1，44-2，54-1，...，54-5)。
4.根据以上权利要求中任一项所述的能量传输器，包括第三初级DC/DC转换器(44-3，54-3)，所述第三初级DC/DC转换器(44-3，54-3)具有两个输入端和两个输出端，所述两个输入端被构造为用于连接电池模块(40-3，50-3)，其中所述第三初级DC/DC转换器(44-3，54-3)与所述第一和第二初级DC/DC转换器(44-1，44-2，54-1，54-2)在输出侧串联连接，以便所述第二初级DC/DC转换器(44-2，54-2)直接与所述第一和第三初级DC/DC转换器(44-1，44-3，54-1，54-3)相连接，并且其中所述第一次级DC/DC转换器(46-1，56-2)包含连接到所述第三初级DC/DC转换器(44-3，54-3)的输出端的第二输出端。
5.根据权利要求4所述的能量传输器，其中所述第一次级DC/DC转换器(46-1，56-2)被构造为从所述第二初级DC/DC转换器(44-2，54-2)中获取能量并且在所述能量传输器的为电池模块(40-1，...，40-3，50-1，...，50-5)放电的放电模式中，将所述能量传输到所述第一初级DC/DC转换器(44-1，54-1)，以及在所述能量传输器的为电池模块(40-1，...，40-3，50-1，...，50-5)充电的充电模式中，将所述能量传输到所述第三初级DC/DC转换器(44-3，54-3)。
6.根据以上权利要求中任一项所述能量传输器，其中所述第一次级DC/DC转换器(26-1，36-1，46-1，...，46-3，56-1，...，56-5)具有线圈(L2)、第一开关(S4，S5)和第一二极管(D1，D2)，其中所述线圈(L2)和所述第一开关(S4，S5)在所述第一次级DC/DC转换器(26-1，36-1，46-1，...，46-3，56-1，...，56-5)的输入端之间串联连接，并且所述二极管(D1，D2)连接在线圈(L2)与第一开关(S4，S5)的连接点和所述第一次级DC/DC转换器(26-1，36-1，46-1，...，46-3，56-1，...，56-5)的所述第一输出端之间。
7.根据权利要求6以及权利要求4或5之一所述的能量传输器，其中所述第一次级DC/DC转换器(46-1，56-2，...，56-4)此外还具有第二开关(S4)和第二二极管(D2)，其中所述第二开关(S4)与所述第一开关(S5)以及所述线圈(L2)串联在所述第一次级DC/DC转换器(46-1，56-2，...，56-4)的所述输入端之间，以使得所述线圈(L2)连接在所述第一和第二开关(S5，S4)之间，并且其中所述第二二极管连接在线圈(L2)与第二开关(S4)的连接点和所述第一次级DC/DC转换器(46-1，56-2，...，56-4)的所述第二输出端之间。
8.根据以上权利要求中任一项所述的能量传输器，其中每个所述初级DC/DC转换器(24-1，24-2，34-1，34-2，44-1，...，44-3，54-1，...，54-5)包含用于控制信号的控制输入端且被构造为：根据所述控制信号的接收，将所述初级DC/DC转换器(24-1，24-2，34-1，34-2，44-1，...，44-3，54-1，...，54-5)的所述输出端相互电气连接且将所述初级DC/DC转换器(24-1，24-2，34-1，34-2，44-1，...，44-3，54-1，...，54-5)的输入端中的至少一个电气去耦。
9.一种具有以上权利要求中任一项所述的能量传输器和多个电池模块(20-1，20-2，30-1，30-2，40-1，...，40-3，50-1，...，50-5)的电池系统，所述电池模块各自具有至少一个电池单元(21-1，...，21-n，22-1，...，22-n，31-1，...，31-n，32-1，...，32-n，41-1，...，41-n，42-1，...，42-n，43-1，...，43-n)且其电池电极与所述能量传输器的所述初级DC/DC转换器(24-1，24-2，34-1，34-2，44-1，...，44-3，54-1，...，54-5)之一的所述输入端以可松开方式连接。
10.一种机动车，其具有权利要求1至8中任一项所述的能量传输器。
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