CN102742110A - 用于存储电能的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于存储电能的系统，该系统包括多个存储单元(12)，这些存储单元分别具有一个运行电压。用电设备(14)以及串联于用电设备的开关元件(16)并联于存储单元布置。开关元件在达到或者超过阈电压时闭合。该系统包括控制装置，该控制装置设定用于，这样控制开关元件，即存储单元通过用电设备进行放电。此外还提出一种用于存储电能的存储单元。

Description

用于存储电能的系统

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分中详细定义类型的用于存储电能的系统。本发明还涉及一种用于存储电能的存储单元。

背景技术

由通常的现有技术已知了用于存储电能的系统、并且在此特别是用于存储电动车辆中或特别是混合动力车辆中的牵引电能的系统。以典型的方式，这种用于存储电能的系统包括单独的存储单元，存储单元例如彼此电串联和/或并联。

原则上，可以考虑不同类型的蓄电池单元或电容器单元作为存储单元。由于在存储和获取能量时，在车辆的、在此特别是商用车的传动系中应用时，能量总量和特别是功率相对较高，因此优选地将能量存储量和功率足够高的那些存储单元用作存储单元。在此例如可以使用锂离子技术中的蓄电池单元，但或者特别是功率非常强的双层电容器形式的存储单元。这种电容器在本技术领域中通常也称为超级电容器、Supercaps或Ultra-Capacitors。和现在是否使用具有高能量存储量的传统类型的超级电容器或蓄电池单元无关，在这种由多个可以总体上或以单元组形式彼此串联的存储单元组成的系统中，单个存储单元的电压取决于结构类型地限制于上电压值或者说阈电压。如果例如在对用于存储电能的系统充电时超过了该上电压值，那么通常会迅速缩短存储单元的使用寿命。

基于预定的制造公差，单独的存储单元在其特性、例如自放电方面在实际中典型地彼此略微偏差。这导致在用于单独的存储单元的运行中可以产生比系统中的其它存储单元小一些的运行电压。然而由于对于总的系统的最大电压通常保持相等，并且最大总电压特别在充电时是典型的控制标准，因此这不可避免地导致了，其它的存储单元具有高一些的电压并且在充电过程中然后超过允许的特殊的最大电压极限充电，而这些存储单元和具有较低的运行电压的存储单元串联。如上面已经提到的那样，这种过压导致这些单独的存储单元和进而是用于存储电能的系统的可能的使用寿命显著缩短。

为了解决该问题，一般的现有技术主要认识到两种不同类型的所谓的单元电压补偿。“单元电压补偿”的通常普遍的专业术语在此略微产生了误导，这是因为在此并不将单独的存储单元的电压或更确切地说是能量存储量彼此间进行补偿，而是仅仅使具有高电压的单元在其过高的电压方面减小。由于用于存储电能的系统的(多个)总电压保持固定，然而因此可以通过所谓的单元电压补偿使在其电压方面减小的单元随着时间推移再次在其电压方面升高，从而至少由此至少减小了换极的危险。

在一种被动的单元电压补偿中，电阻并联于每个单独的存储单元并且因此使得用于存储电能的系统持续不期望地放电并且也被加热，除了这种被动的单元电压补偿，也使用了一种主动的单元电压补偿。在此除了并联于每个单独的存储单元的电阻之外，电子阈值开关并联于存储单元并且串联于电阻。如果单元的运行电压处于预定的阈电压之上，则这个也被称为旁路电子装置的结构因此仅仅总使得电流流动。一旦单独的存储单元的电压再次下降到预定的阈电压以下的区域中，则断开开关并且不再有电流流动。电阻通过开关总是经受外力，基于该事实，如果单独的存储单元的电压在预定的极限值以下，则也可以尽可能避免用于存储电能的总系统的不期望的放电。持续的、不期望的热产生在主动单元电压补偿的这种解决方式中也不是问题。

一种例如用于混合动力城市公共汽车的超级电容存储器通常由几百个串联连接的超级电容器单元组成，它们大部分被划分成多个模块。在将要在车辆上或者特别地在混合动力系统上进行售后服务-或维修工作的情况下，超级电容器存储器有利地在工作之前放电，从而为售后服务-或维修人员排除各种危险。这就要求利用额外要准备的合适的外部组件对接口进行操作，这些接口根据充电状态可能处于很危险的高电压之下并且功率非常大。此外，这些接口经常不易触及，因此使得这些工作只能由特别的有专业技能的人员完成。

此外，在这种方法中不利的是，当整个存储器或者整个模块被放电时，那些和其它存储单元相比具有更低的充电状态或者更少电容量的单元可能会换级。存储单元在充电状态或者电容量方面的区别例如由制造公差引起，它们可能造成自放电效果提升，以及例如也由于模块中或者整个存储器中冷却效果不统一而引起存储单元的老化速度不同而引起。这种换级会缩短所涉及的存储单元的寿命，因此应该避免。

在所描述的混合动力驱动装置中，和这里特别是用于像城市交通/短途交通中的公共汽车这样的商用车的混合动力驱动装置中，用于存储电能的系统的寿命具有至关重要的意义。和在通常的传动系中在适合于这种应用的功率级中不同的是，用于存储电能的系统占据了用于混合驱动的成本的显著部分。因此，在这种应用中获得非常高的使用寿命是特别重要的。

发明内容

因此本发明的目的在于，提出一种用于存储电能的系统以及一种存储单元，该系统或者该存储单元至少部分地避免所述的缺点，并且特别是在为系统或者说存储单元放电时降低换级的可能性。该目的通过具有独立权利要求所述特征的一种系统和一种存储单元得以实现。本发明的其它设计方案在从属权利要求中给出。

特别地，本发明设计了一种用于存储电能的系统，该系统包括多个存储单元，存储单元分别具有一个运行电压，其中，用电设备以及串联于用电设备的开关元件并联于存储单元布置，并且其中，这个开关元件在达到或者超过阈电压时闭合。所述系统根据本发明包括控制装置，控制装置设定用于，这样控制开关元件，即存储单元通过用电设备进行放电。

因此，根据本发明可能的是，通过借助控制装置有针对性地控制开关元件引起存储单元通过用电设备放电，并且因此以不危险的方式和方法为系统放电，使得可以执行维护工作或维修工作。由于预设了控制装置，也可以避免对处于高电压下的接口进行操作。

在一个有利的实施方式中提出，存储单元可以通过用电设备进行放电直至达到放电电压。因此确保了，即用于存储电能的系统被放电直至达到或者低于一个在这里被称为放电电压的电压值，其中，可以毫无危险地运行该系统或其各个模块。

本发明的一个特别优选的实施方式提出，即开关元件能通过无接触的传输装置控制。

其中特别可以提出，即无接触的传输装置是隔离放大器、特别是光电耦合器。这就可以隔开导线和装置(通过它们将能量输入存储器或者通过它们将能量从存储器中取出)以及控制导线和控制装置(它们由售后服务人员或者说维护人员操作)。特别是其中可以电镀隔离控制导线和引导高电压的导线，从而可以达到特别高的安全度。隔离放大器可替换地也可以通过一个电感的或者可能是电容的耦合装置实现，并且因此同样可以与存储单元电镀隔离地控制开关元件。

相关于无接触的传输装置的布置，一方面可以设计为，多个存储单元中的每个存储单元都可以配属一个无接触的传输装置。这就使得可以有针对性地控制每个存储单元，并且因此可以为每个存储单元特别安全地并且经济地进行放电。在这种情况下，特别有利的是，在存储单元中布置了无接触的传输装置。因此无接触的传输装置相对于存储单元存在一个直接的、而且也是空间上的配属关系。

可替换地可以提出，一个无接触的传输装置配属于多个存储单元。其中例如一个无接触的传输装置可以控制两个相邻的电池或者一个由多个存储单元组成的整体的模块。这就减少了线路技术和电子方面的投入，并且因此是一种特别节约成本的可以实现的可替换方案。与之相关地可以提出，无接触的传输装置布置在控制装置中。其中，该传输装置可以集成到控制装置中，或者布置在它的空间附近。

本发明的一个实施方式提出，对存储单元的控制包括对阈电压的影响。这样就可以例如将存储单元的阈电压控制到一个放电电压大小，从而通过用电设备为存储单元放电。

可替换地也可以提出，开关元件能由控制装置闭合。于是可以在不考虑阈电压的情况下通过控制单元直接控制开关元件的开关过程。

在本发明的一个有利的改进方案中提出，控制装置借助于总线导线和开关元件连接。这就是使得可以高效地控制多个存储单元。其中，特别是可以提出，不仅将放电信号或者将变为放电电压值的阈电压值从控制装置传输到存储单元，而且例如也将当前的运行电压值或者当前的阈电压值从存储单元传输到控制装置。这就使得例如可以准确地描述用于存储电能的系统的存储状态或者系统的分别被检测的模块的存储状态。

在本发明的一个简单的实施方式中，用电设备是电阻，但是可替换地也可以设置其它的装置用于例如借助于定向放射导出电能。存储单元可以设计为所谓的超级电容器，即双层电容器。

在一个简单的实施方式中，开关元件可以是阈值开关。正如已经阐述的那样，控制装置就可以借助于信号总线或数据总线或者将阈值开关的阈值调节到放电电压大小，或者直接控制阈值开关的开关过程。在某些情况下可能也可以使用两种设计方案的组合。

根据本发明的系统可以特别有利地用在蓄能器中，特别是用于混合动力驱动装置。

开头提及的目的也通过一种用于存储电能的存储单元得以实现，其具有并联于存储单元布置的用电设备以及串联于用电设备的开关元件，其中，开关元件在达到或者超过阈电压时闭合。根据本发明提出，开关元件能通过无接触的传输装置这样控制，即存储单元的电压下降直至或者低于放电电压。其中，无接触的传输装置可以直接布置在开关元件上，或者通过合适的信号导线或数据导线与无接触的传输装置连接。无接触的传输装置例如可以是隔离放大器，特别是光电耦合器。

附图说明

根据本发明的系统以及根据本发明的存储单元的其它有利的设计方案还从以下借助附图详尽描述的实施例中得出。

图中示出：

图1是混合动力车辆的一个示例性的结构；以及

图2是用于存储电能的系统的一个实施方式的示意图。

具体实施方式

图1中示出了示例性的混合动力车辆1。其具有两个带有各两个示例性表明的车轮4的轴2，3。轴3在此应该是车辆1的被驱动的轴，而轴2以自身已知的方式和方法仅仅随动。为了对轴3进行驱动，示例性地示出了传动装置5，该传动装置从内燃机6和电机7中获取功率并且将其导入被驱动的轴3的区域中。在驱动情况下，电机7单独地或对内燃机6的驱动功率进行补充地可以将驱动功率导入被驱动的轴3的区域中，并且因此驱动了车辆1或者对车辆1的驱动进行支持。此外在车辆1制动时，电机7可以作为发电机运行，以便因此回收在制动时产生的功率并且相应地存储。为了例如在作为车辆1的市内公共汽车的使用中也对于较高速度的制动过程提供足够的存储能量，其中该较高速度对于市内公共汽车而言确定地最大大约为70km/h，必须在此情况下设置用于存储电能的系统10，其具有数量级为350至700Wh的存储能量。因此例如在大概10秒长的制动过程中由这种速度产生的能量通过典型地具有大约150kW数量级的电机7转换成电能，并且该电能存储在系统10中。

为了对电机7进行控制以及为了对用于存储电能的系统10充电和放电，该结构根据图1具有变流器9，变流器以自身已知的方式和方法设计具有用于能量管理的集成的控制装置。通过具有集成的控制装置的变流器9使电机7和用于存储电能的系统10之间的能量流相应地协调。控制装置确保的是，在制动时在然后以发电机形式驱动的电机7的区域中产生的功率被尽可能地存储在用于存储电能的系统10中，其中通常不能超过系统10的预定的上电压极限。在驱动情况下，变流器9中的控制装置协调从系统10中获取的电能，以便在与此相反的情况下借助于这些获取的电能驱动电机7。除了在此说明的、例如可以是市内公共汽车的混合动力车辆1以外，自然也可以在纯电动车辆中考虑类似的结构。

图2示意性地示出按照一种实施方式的根据本发明的用于存储电能的系统10的一部分。原则上可以考虑不同类型的、用于存储电能的系统10。典型地这样对这种系统10进行构造，即多个存储单元12典型地串联在系统10中。该存储单元在此可以是蓄电池单元和/或超级电容器，也或者是上述装置的任意组合。对于在此示出的实施例而言，应将存储单元12全都设计为超级电容器，即设计为双层电容器，其应该被装入配有混合驱动装置的车辆1中的、用于存储电能的一个唯一的系统10中。该结构在此可以优选地被装入商用车中，例如用于城市交通/短途交通的公共汽车中。

在此通过经常性的启动-和制动技术动作并结合非常高的车辆质量，通过超级电容器实现了电能存储的特别高的效率，这是因为相对较高的电流流动。由于作为存储单元12的超级电容器具有比例如蓄电池单元小很多的内阻，因此其对于在此详细说明的实施例是优选的。

如已经提到的，在图2中可以识别出存储单元12。在此仅仅示出了多个串联的存储单元12中的三个存储单元。这些存储单元在一系列其它未示出的存储单元中构成第一模块A。同样示意性地示出了其他模块B，C。模块的准确数量根据系统的使用目的而不同。在上面提到的实施例中并且当相应的电驱动功率是大约100至200kW、例如是120kW时，这些存储单元在实际的结构中将可能总共是大约150至250个存储单元12。如果这些存储单元设计为具有对于每个超级电容器来说当前上电压极限为大约2.7V的超级电容器，并且具有3000法拉的电容，则将为城市公共汽车的混合动力驱动装置给出实际的应用。

如图2所示，每个存储单元12都具有一个与该存储单元12并联的欧姆电阻14形式的用电设备。该用电设备和开关元件16串联并且并联于每个存储单元12，在此情况下，并联于每个超级电容器12。开关16设计为阈值开关并且仅示意性地示出。这个阈值开关16包括该超级电容器12的电压监测装置。一旦这个超级电容器12超过一个电压上限阈值，开关16就闭合，从而来自超级电容器12的电流可以流经电阻14。因此相应地减小位于电容器中的电荷并且进而也减小了电压。

此外，阈值开关16通过光电耦合器18和相应的数据导线或信号导线与总线20连接。控制装置22同样连接在数据总线20上。控制装置22设定用于，借助于总线20控制布置在存储单元12上的光电耦合器18。

在图2中所示的实施方式中，多个存储单元12，如已经提及的那样，被划分成模块A，B和C。为了直观显示的目的，为模块A，B和C示出了不同的实施方式。在一个实际的用于存储电能的系统中，只会使用同类的模块。正如已经说过的那样，模块A装配有存储单元12，可以通过光电耦合器18控制它的阈值开关16。其中，各个存储单元12的各自的光电耦合器18可以单个地通过数据总线20由控制装置22控制，这就是说，可以为每个单独的存储单元12分派一个放电指令。

而模块B的存储单元12虽然分别也同样装配有用于控制阈值开关16的光电耦合器18。但是光电耦合器的连接方式按以下方式实现，即只能为所有的光电耦合器18共同将放电信号传输到阈值开关16。因此，统一地对所有包含在其中的存储单元12实现对模块B的放电。

模块C同样具有可以通过该阈值开关16和电阻14放电的存储单元12。但是对阈值开关16的控制不是通过光电耦合器，而是通过电感耦合器24实现。虽然这里实现的连接方式也类似于模块B中的连接方式，也就是说，所有存储单元12只能统一地放电。但是这只是一个示例性的实施方式。不言而喻地，模块A至C的所有设计理念之间都可以任意地相互组合。

另一个在此未示出的变型方案在于，为一个模块，也就是说为多个存储单元，预设唯一一个隔离放大器，它可以将一个统一的放电指令传输到多个存储单元。

因此，本发明利用已经存在的旁路电子元件用于给存储器放电，为此，这些电子元件增加了一个简易的扩展电路。正如已经说过的那样，这可以通过隔离放大器、例如光电耦合器18或者也可以通过电感耦合装置24实现。通过这些将旁路电子元件相互电镀隔离并且与外界的高运行电压电镀隔离的隔离放大器，可以利用在模块或者整个存储器以外的低的信号电压，例如通过控制装置22接通这些旁路电子元件。这个开关状态可以一直保持住，直到超级电容器单元12完全放电，或者系统10的总电压回落到一个不危险的值。正如已经提过的那样，在此也可以例如通过总线20实现对单个单元12，一个整体模块的电压或者系统的总电压的检测。因为每个单元单独放电，因此也不存在电容器12换级的危险。当旁路电子元件的漏电电流为1A时，在此期间单元电压在50分钟内下降1V，使得在这些数例的情况下，在大约两小时内可以将存储器视为放电。不言而喻地，根据使用的用电设备也可能出现其它的漏电电流。

在此期间出现的热能可以通过存储器或模块的在这些系统中通常存在的归系统所有的冷却装置被导出。因此，不需要采取其它与之相关的预防措施。

Claims (15)

1.一种用于存储电能的系统(10)，所述系统包括多个存储单元(12)，所述存储单元分别具有一个运行电压，其中，用电设备(14)以及串联于所述用电设备(14)的开关元件(16)并联于所述存储单元(12)布置，并且其中，所述开关元件(16)在达到或者超过阈电压时闭合，

其特征在于，

所述系统(10)包括控制装置(22)，所述控制装置设定用于，这样控制所述开关元件(16)，即所述存储单元(12)通过所述用电设备(14)进行放电。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述存储单元(12)能通过所述用电设备(14)进行放电直至达到放电电压。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述开关元件(16)能通过无接触的传输装置(18，24)控制。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述无接触的传输装置是隔离放大器(18，24)、特别是光电耦合器(18)。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，多个存储单元(12)中的每个存储单元都配属了一个无接触的传输装置(18，24)。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述无接触的传输装置(18，24)布置在所述存储单元(12)中。

7.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，一个无接触的传输装置配属于多个存储单元(12)。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述无接触的传输装置布置在所述控制装置中。

9.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，对所述开关元件(16)的控制包括对所述阈电压的影响。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的系统，其特征在于，所述开关元件(16)能由所述控制装置(22)闭合。

11.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述控制装置(22)借助于总线导线(20)和所述开关元件(16)连接。

12.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述用电设备是电阻(14)和/或所述存储单元(12)是超级电容器(12)。

13.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述开关元件是阈值开关(16)。

14.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统(10)用在蓄能器中，特别是用于混合动力驱动装置。

15.一种用于存储电能的存储单元(12)，具有并联于所述存储单元布置的用电设备(14)以及串联于所述用电设备(14)的开关元件(16)，其中，所述开关元件(16)在达到或者超过阈电压时闭合，

其特征在于，

所述开关元件(16)能通过无接触的传输装置(18，24)这样控制，即所述存储单元(12)的电压下降直至或者低于放电电压。

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