CN102652387B

CN102652387B - 能量存储系统及其运行方法

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Publication number: CN102652387B
Application number: CN201080057332.3A
Authority: CN
Inventors: S.布茨曼; H.芬克
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-12-17
Filing date: 2010-10-28
Publication date: 2016-01-13
Anticipated expiration: 2030-10-28
Also published as: WO2011082856A2; EP2514063A2; DE102009054820A1; EP2514063B1; WO2011082856A3; US9160181B2; CN102652387A; US20120306468A1

Abstract

本发明涉及一种能量供给系统（10），其带有：具有多个存储模块（38，40）的电能量存储系统（12）、尤其是电池系统；确定装置（64），用于确定存储模块（38，40）的状态参量；以及能量传输装置（14），用于在存储模块（38，40）和后接的电设备（16）之间传输能量。规定：能量传输装置（14）具有多个直流调节器（26，28），所述直流调节器在输出侧彼此并联和/或串联，并且直流调节器（26，28）的每个都能够分别连接到能量存储系统（12）的存储模块（38，40）上，并且能量供给系统具有控制装置（66）用于根据所确定的相应连接的存储模块（38，40）的状态参量来控制直流调节器（26，28）。此外，本发明还涉及一种用于运行能量供给系统（10）的方法。

Description

能量存储系统及其运行方法

本发明涉及一种能量供给系统，其带有：具有多个存储模块的电能量存储系统，尤其是电池系统；确定装置，用于确定存储模块的状态参量；以及能量传输装置，用于在存储模块和后接的电设备之间传递能量。本发明此外涉及一种用于运行能量供给系统的方法。

背景技术

这种能量供给系统和用于运行能量供给系统的方法例如由风力设备中已知，然而也由机动车的电驱动装置或者混合驱动装置中已知。

为了能够提供对于相应的应用所需的功率和能量，构建为存储单元的存储模块串联连接并且部分地附加地并联连接。多个存储模块串联连接，以便通过将构建为存储单元的、电能量存储系统的各存储模块的电压相加、即其总电压来实现例如在机动车中对于电驱动装置或者混合驱动装置的电动机所需的高运行电压。在此，能量存储系统例如构建为具有多个电池单元的电池系统。高的运行电压可以通过输出侧的开关来与随后的、构建为功率电子器件如逆变器的能量传输装置脱离耦合。因为构建为电池系统的电能量存储系统的总输出电流在构建为电池单元的存储模块的串联电路中流到电池单元的每个中，其中电荷传递通过在电池单元内的电化学过程来进行，所以在极端情况中单个电池单元的故障意味着，整个装置不再能够为后接的电设备提供电流并且由此不能提供电能。为了能够及时识别出电池单元的危险故障，通常使用构建为所谓的电池管理系统的确定装置，其与电池单元的每个的两个极连接或者可以与其连接，并且以规则的或者可选的间隔来确定每个电池单元的工作参数如电压和温度，并且由此确定所述单元的至少一个状态参量例如充电状态（StateofCharge,SoC）。然而通过单元的串联电路和/或并联电路，得到在电池单元的极上的高的电压和/或大的电流。这意味着电池系统的电工作数据在同时低的灵活性情况下高的开销。

此外，对于为了实现高的总电压的多个电池单元的串联电路，产生如下问题：对于借助电池运行的设备例如电机的不同工作状态，提出了对于要提供的工作电压、最大电流和所存储的能量的条件，当比为了满足要求实际所需的数目更大数目的电池单元耦合时，这些条件才可以统一。这提高了价格并且尤其是在电动汽车的情况下提高了电池系统的恼人的重量和体积。电池系统的安装、即各单元的彼此连接在一起由于通过串联连接而加在一起的、各电池单元的电压而在直到1000V的高的总电压情况下进行，因此更换电池系统、单个单元或者模块并不能在本地的车间中或者在固定应用的情况中仅仅能够借助特殊工具由特别组建的专业力量来进行。由此，对于在故障情况中电池系统的维护而言，产生高的物流开销。此外，确定装置的部分位于相应地高的电势上。为了将电池系统无电压地开关，即将实际的电池与负荷分离，必须设置功率开关，其典型地实施为接触器，并且其对于所预期的高电流和电压而言非常昂贵。

发明内容

本发明的任务是，提出一种能量供给系统和一种用于运行这种能量供给系统的方法，用于克服现有技术中的上述缺点。

根据本发明，该任务通过权利要求1和6的特征来解决。

根据本发明的能量供给系统的能量传输装置具有多个直流调节器，其在输出侧彼此并联和/或串联，并且直流调节器（直流电压变换器）的每个都能够以其输入端分别连接到能量存储系统的存储模块上，其中能量供给系统具有控制装置用于根据相应连接的存储模块的所确定的状态参量来控制直流调节器。通过模块化的连接，可以将在能量传输装置的输入侧上的电压和/或能量传输装置的输入侧流动的电流减小。

在本发明意义中的电能量存储系统可以理解为具有能量存储器的能量存储系统，从其中可以提取电能或者输送和提取电能。电能量存储器构建为电荷存储器和/或磁能存储器和/或电化学能量存储器。电化学能量存储器尤其是可重复充电的电池或者蓄电池。

直流调节器尤其是可以理解为双向直流调节器（DC/DC变换器）。根据本发明的一个有利的扩展方案，规定：直流调节器可以实施为反激式变换器、正向变换器、推挽式变换器、半桥变换器、全桥变换器以及谐振变换器。上述变换器是已知的直流调节器。

有利的是，每个存储模块的（总）电压在0.1V≤X≤120V的范围中，特别优选在0.2V≤X≤50V的范围中。

通过得到的、在直流调节器的每个的输入端之间的小的端电压，在初级侧端子上并不存在如下电压：其会使得在更换单个能量存储模块或者电池单元时需要电池的特别范围。因为确定装置在能量传输装置的输入侧测量，所以在根据本发明的能量供给系统中仅需相应地小的安全要求就足够。同样的也适用于控制直流调节器的控制装置，因为其仅在输出侧彼此并联和/或串联。确定装置和控制装置尤其是能量供给系统的管理系统的一部分。

能量传输装置的模块化的构造允许选择根据工作情形合适的总电压或者根据工作情形合适的总电流。此外，输出电压与初级侧连接的存储单元的数目无关。由此，能量存储系统的设计可以纯粹根据能量和功率标准来进行，而与对于相应的应用所需的总电压无关。

另一优点在于，可以省去昂贵的功率开关（接触器）来将能量存储器与负载以及至负载的接通相分离，因为在存储器输出端上的高压可以通过将直流调节器关断而以简单的方式来关断。

根据本发明的一个有利的扩展方案，规定，控制装置是用于根据对能量存储系统的功率要求来控制直流调节器的控制装置。由此，控制装置具有（关于相应的存储模块）至少一个确定的状态参量以及由外部预先给定的对于能量存储系统的功率要求作为输入参量。功率要求在此可以是用于输出电能的要求以及用于吸收电能的要求。

通常，状态参量是描述存储模块的状态的任何变量，优选的是，然而存储模块的状态参量是相应存储模块的充电状态（StateofCharge:SoC）和/或健康状态（StateofHealth：SoH）。

根据本发明的另一有利的扩展方案，规定，确定装置具有计算设备，其中存放有至少一个分析装置、尤其是存储模块的数学模型，其中计算设备通过将存储模块之一的至少一个测量的参数（模块电流I_b、模块电压U_b、模块温度T_b）分别与分析装置的关联的参考参数（模型电流I_m、模型电压U_m、模型温度T_m）进行比较来确定该存储模块的状态参量SoC、SoH。

特别地，参数是在相应的存储模块上可以分接的模块电压U_b。模块电压由存储单元的电压以及其在存储模块中的连接来得到。

本发明此外涉及一种用于运行能量供给系统的方法，尤其是用于运行上述能量供给系统的方法。规定，能量供给系统包括具有多个存储模块的电能量存储系统和具有多个直流调节器的能量传输装置，其中直流调节器在输出侧彼此并联和/或串联，直流调节器的每个分别连接到能量存储系统的存储模块上，并且直流调节器的每个为了运行能量供给系统至少根据连接在该直流调节器上的存储模块的、所确定的状态参量来被控制。

在本发明的意义中，电能量存储系统可以理解为带有能量存储器的能量存储系统，从中可以提取电能，或者可以输送和提取电能。电能量存储器构建为电荷存储器和/或磁能存储器和/或电化学能量存储器。电化学能量存储器尤其是可以重复充电的电池或者蓄电池。

根据本发明的一个有利的扩展方案，规定，直流调节器的控制此外也根据对于能量存储系统的功率要求来进行。由此，控制根据（关于相应的存储模块）至少一个确定的状态参量以及由外部预先给定的对于能量存储系统的功率要求来进行。功率要求在此可以是用于输出电能的要求以及吸收电能的要求。

通常，状态参量是任何描述存储模块的状态的变量，尤其是，存储模块的状态参量是相应的存储模块的充电状态SoC和/或健康状态SoH。

根据本发明的另一个有利的扩展方案，设置了分析装置，尤其是存储模块的数学模型，其中通过将存储模块之一的至少一个测量的参数（例如模块电流I_b、模块电压U_b、模块温度T_b）分别与分析装置的关联的参考参数（例如模型电流I_m、模型电压U_m、模型温度T_m）进行比较来确定该存储模块的状态参量（例如SoC、SoH）。特别地，参数是在相应的存储模块上可分接的模块电压U_b。

附图说明

下面借助实施例的附图来进一步阐述本发明。其中：

图1示出了带有能量存储系统和能量传输装置的能量供给系统的第一实施例的电路图；

图2示出了带有能量存储系统和能量传输装置的能量供给系统的第二实施例的电路图；

图3示出了确定装置和控制装置的连接的电路图，其带有能量供给系统的能量传输装置的直流调节器和存储模块。

具体实施方式

图1的能量供给系统10具有构建为电池系统的能量存储系统12和能量传输装置14。在能量传输装置14之后连接有电设备16，其带有逆变器18和连接在能量传输装置14与逆变器18之间的中间回路20，该中间回路具有中间回路电容器22。能量传输装置14具有直流调节模块24，该直流调节模块在其一侧包括多个直流调节器26、28，然而其中仅仅示出了两个直流调节器26、28。直流调节器26、28（在直流调节模块24内）在输出侧、即在中间回路侧串联连接，其中所述直流调节模块24在输出侧具有第一模块输出端和第二模块输出端30、32。直流调节器（DC/DC变换器）26、28的每个借助第一输入端和第二输入端34、36分别通过其极42、44电连接到能量存储系统12的存储模块38、40上。中间回路电容器22在电流路径46中设置在中间回路20内，该电流路径将第一模块输出端和第二模块输出端30、32或者第一逆变器输入端和第二逆变器输入端48、50连接。

逆变器18以其交流输出端52、54、56与构建为交流电机的电机58电连接。电机58尤其是作为电动机和/或发电机起作用的电机。优选的是，能量供给系统10是用于为带有至少一个电机58的机动车的电驱动系统供电的能量供给系统。

直流调节器26、28的每个的第一输入端34在相同的电势上，尤其是（这里所示）在地M上。存储模块38、40的每个都具有多个存储单元60，其中分别仅仅示出了三个存储单元60。存储模块38、40尤其是构建为电池系统的能量存储系统12的锂离子电池模块（锂离子蓄电池模块）。

图2示出了带有能量存储系统12和能量传输装置14的能量供给系统10，其基本上对应于图1的能量供给系统10，于是这里仅仅讨论区别。图2的能量传输装置14具有两个直流调节模块24、62，其分别具有恰好一个直流调节器26、28，其中直流调节模块24、62以其相应的模块输出端30、32在中间回路侧并联连接。

在直接由图1和图2的实施例得出的情况中，在关联的直流调节模块24、62内的直流调节器26、28在输出侧始终串联，并且直流调节模块24、62在输出侧始终并联。在一般情况中，串联电路和/或并联电路的任意组合都是可能的。

图3示出了确定装置64和控制装置66与能量传输装置14的直流调节器26、28以及与能量供给系统12的存储模块38、40的连接。确定装置64具有计算设备68，其中存放有两个构建为存储模块38、40的数学模型的分析装置70、72。计算设备68在此借助第一分析装置（带有参数适配的存储模块的模型）70通过将存储模块38、40的至少一个测量的参数（即模块电压U_b）分别与第一分析装置70的关联的参考参数（这里于是为模型电压U_m）以及附加的测量的参数即模块电流I_b和模块温度T_b比较来确定该存储模块（38、40）的状态参量的至少之一以及模型参数。这些状态参量以及模型参数被传递给第二分析装置72（用于状态预测的存储模块的模型），借助其，确定装置64从状态参量和模型参数中与另外的输入参量74一同生成关联的存储模块38、40的状态和/或行为的预测。另外的输入参量74例如描述了工作流程和预测的边界条件。关联的存储模块38、40的状态和/或行为的预测是控制装置66的输入参量，该控制装置根据所确定的、分别连接的存储模块38、40的状态参量以及可选的工作策略来控制直流调节器26、28。确定装置64和控制装置66尤其是能量存储管理系统76的部分。

在工作策略“均匀老化”的情况下，例如借助在图3中所示的存储状态识别和预测（其是能量存储管理系统76的一部分）来确定，存储模块的一个或者多个单元比其他存储模块的单元老化更多。在这种情况中，所涉及的存储模块将来更小程度地参与充电和放电过程。这通过合适地控制相应的、在初级侧连接到所涉及的存储模块上的直流调节器来实现。由此，所涉及的存储模块比其他存储模块弱一些地继续老化，并且可以造成一种状态，在该状态中存储模块又具有类似的老化状态或者健康状态。为此所需的、能够不同地运行存储模块的自由度通过使用模块化的直流调节器来提供。

在工作策略“与单元特性匹配的运行（功率优化的运行）”情况下，存储模块可以根据当前存在的、对于能量供给系统的功率要求以及根据所使用的单元的所谓的功率能量比（P/E比例）来不同程度地参与充电过程或者放电过程。

其他的工作策略是可能的。原则上，能量存储系统的所有特性都可以被优化，存储模块的不同工作方式可以对其具有影响。

作为第一例子，这里要提出一种工作方式，其导致不同存储模块的均匀的温度。如果存储模块具有比其他存储模块更高的温度，则其可以暂时地比其他存储模块更低地被加负载。由此，在适当地取消负载的情况下，温度可以又与其他模块的温度平衡。反过来，具有较低温度的存储模块可以暂时地比其他存储模块更强地被加负载，以便将其温度又与其他存储模块的温度平衡。

作为第二例子，要提出一种工作方式，其导致存储模块的均匀的平均充电状态。如果存储模块例如具有比对所有存储模块取平均的充电状态更高的充电状态，则其可以暂时地更强地参与从存储模块提取电荷的过程，和/或弱一些地参与对存储模块输送电荷的过程。在反过来的作用意义中，当然这也适用于具有比对所有存储模块取平均的充电状态更低的充电状态的存储模块。

一般地，针对能量存储系统的工作策略可以基于（存储）模型通过优化品质标准来进行。作为优化的调节参量，可以考虑自由度，即存储模块由于使用的模块化直流调节器而能够以不同的方式运行（这涉及将电能输送给直流电压中间回路或者从直流电压中间回路提取电能）。

Claims

1.一种能量供给系统，其带有：具有多个存储模块的电能量存储系统；确定装置，用于确定存储模块的状态参量；以及能量传输装置，用于在存储模块和后接的电设备之间传输能量，其特征在于，能量传输装置（14）具有多个直流调节器（26，28），所述直流调节器在输出侧彼此并联和/或串联，并且所述直流调节器（26，28）的每个都能够以其输入端（34，36）分别连接到能量存储系统（12）的存储模块（38，40）上，并且能量供给系统（10）具有控制装置（66），用于根据相应连接的存储模块（38，40）的所确定的状态参量来控制直流调节器（26，28），其中确定装置（64）具有计算设备（68），其中存放有至少一个分析装置（70，72），其中计算设备（68）通过将存储模块（38，40）之一的至少一个测量的参数分别与分析装置（70）的关联的参考参数进行比较来确定该存储模块（38，40）的状态参量。

2.根据权利要求1所述的能量供给系统，其特征在于，控制装置（66）是用于根据对能量存储系统（12）的功率要求来控制直流调节器（26，28）的控制装置（66）。

3.根据上述权利要求之一所述的能量供给系统，其特征在于，存储模块（38，40）的状态参量是相应存储模块（38，40）的充电状态和/或健康状态。

4.根据权利要求1或2所述的能量供给系统，其特征在于，参数是在相应的存储模块（38，40）上能够分接的模块电压。

5.根据权利要求1或2所述的能量供给系统，其特征在于，所述电能量存储系统是电池系统。

6.根据权利要求1或2所述的能量供给系统，其特征在于，在计算设备（68）中存放有存储模块（38，40）的数学模型。

7.一种用于运行根据上述权利要求之一所述的能量供给系统的方法，所述能量供给系统包括具有多个存储模块的电能量存储系统和具有多个直流调节器的能量传输装置，其中直流调节器在输出侧彼此并联和/或串联，直流调节器的每个分别连接到能量存储系统的存储模块上，并且至少根据连接在该直流调节器上的存储模块的所确定的状态参量来控制直流调节器的每个，以运行能量供给系统。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，直流调节器的控制此外也根据对于能量存储系统的功率要求来进行。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，存储模块的状态参量是相应的存储模块的充电状态和/或健康状态。

10.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，确定装置具有计算设备，其中存放有至少一个分析装置，其中计算设备通过将存储模块之一的至少一个测量的参数分别与分析装置的关联的参考参数进行比较来确定该存储模块的状态参量。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在计算设备中存放有存储模块的数学模型。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，该参数是在相应的存储模块上能够分接的模块电压。