CN103153687B - 具有可可变地调节的中间电路电压的蓄电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种蓄电池系统，其具有蓄电池、与所述蓄电池连接的直流中间电路、与所述直流中间电路连接的逆变器和与所述逆变器连接的电机。所述直流中间电路包含电容器，并且所述蓄电池包含具有多个串联连接的蓄电池模块(40、60)的蓄电池模块组(70)和控制单元，每个蓄电池模块(40、60)包括耦合单元(30、50)和至少一个连接在所述耦合单元(30、50)的第一输入端(31、51)与第二输入端(32、52)之间的蓄电池单元(11)。所述耦合单元(30、50)被构造为根据第一控制信号接通在所述蓄电池模块(40、60)的第一端子(41、61)与所述蓄电池模块(40、60)的第二端子(42、62)之间的所述至少一个蓄电池单元(11)并且根据第二控制信号将所述第一端子(41、61)与所述第二端子(42、62)连接。所述控制单元被构造为将所述第一控制信号输出给所述蓄电池模块组(70)的可变数量的蓄电池模块(40、60)并且将所述第二控制信号输出给所述蓄电池模块组(70)的剩余的蓄电池模块(40、60)并且由此可变地调节所述直流中间电路的电压。除此之外本发明还涉及用于驱动这样的蓄电池系统的方法。

Description

具有可可变地调节的中间电路电压的蓄电池系统
技术领域
本发明涉及一种具有可可变地调节的中间电路电压的蓄电池系统以及一种用于驱动这样的蓄电池系统的方法。
背景技术
在未来，不仅在固定的应用中而且在如混合动力和电动车辆的车辆中更多地使用蓄电池系统。为了可以满足对于相应的应用给出的对电压和可提供的功率的要求，将多个蓄电池单元串联连接。因为由这样的蓄电池提供的电流必须流过所有的蓄电池单元并且蓄电池单元仅可以导通有限的电流，所以经常附加地将蓄电池单元并联连接，以便提高最大电流。这可以或者通过在蓄电池单元壳体之内设置更多的单元包(Zellwickeln)或者通过外部连接蓄电池单元来实现。
在图1中示出常见的电驱动系统的原理电路图，电驱动系统应用在诸如电动车辆和混合动力车辆中，或者也应用在静态应用(例如风力发电装置的转动叶片调节)中。蓄电池10连接至直流中间电路，该直流中间电路由电容器11缓冲保护。脉冲逆变器12连接至该直流电压中间电路，该脉冲逆变器经由两个可接通的半导体阀和两个二极管在三个输出端上分别提供相对彼此相位移位的正弦电压，以用于驱动电驱动电机13。电容器11的电容必须足够大，以便使直流中间电路中的电压稳定一时间段，在该时间段中接通可接通的半导体阀中的一个。在一个实际应用如电动车辆中产生位于mF的范围中的高电容。
图2在具体的方框电路图中示出了图1的蓄电池10。多个蓄电池单元串联连接，并可选地附加地并联连接，以实现对于各应用所期望的高的输出电压和蓄电池容量。在蓄电池单元的正极和蓄电池正端子14之间连接了充电和分隔装置16。可选地，能够附加地在蓄电池单元的负极和蓄电池负端子15之间连接分隔装置17。分隔和充电装置16和分隔装置17分别包括接触器18和19，其被设置为用于将蓄电池单元与蓄电池端子分离，从而使得蓄电池端子不带电压。否则，由于串联连接的蓄电池单元的高直流电压，对维护人员或类似的人将有巨大的危险电势。在充电和分隔装置16中附加地设置有充电接触器20和与充电接触器20串联连接的充电电阻21。如果蓄电池连接到直流中间电路，则充电电阻21限制电容器11的充电电流。在此，首先断开接触器18，并仅闭合充电接触器20。如果在蓄电池正端子14上的电压达到蓄电池单元的电压，则能够闭合接触器19，并且必要时断开充电接触器20。接触器18、19和充电接触器20明显提高蓄电池10的成本，因为对其可靠性和对由其导通的电流提出了高的要求。
发明内容
因此，依据本发明提出了一种蓄电池系统，其具有蓄电池、与所述蓄电池连接的直流中间电路、与所述直流中间电路连接的逆变器和与所述逆变器连接的电机。所述直流中间电路包含电容器，并且所述蓄电池包含具有多个串联连接的蓄电池模块的蓄电池模块组和控制单元，每个蓄电池模块包括耦合单元和至少一个连接在所述耦合单元的第一输入端与第二输入端之间的蓄电池单元。所述耦合单元被构造为根据第一控制信号接通在所述蓄电池模块的第一端子与所述蓄电池模块的第二端子之间的所述至少一个蓄电池单元，并且根据第二控制信号将所述第一端子与所述第二端子连接。所述控制单元被构造为将所述第一控制信号输出给所述蓄电池模块组的可变数量的蓄电池模块，并且将所述第二控制信号输出给所述蓄电池模块组的剩余的蓄电池模块，并且由此可变地调节所述直流中间电路的电压。
本发明具有的优点在于，直流中间电路的电压能够被可变地调节并因此适应于不同的运行情况。通过这种方式能够在更大程度上独立于电机的相应的功率对电机的转矩或转数进行调节。因此能够最优地为电机的各个当前运行状态例如在机动车的驱动系统中对直流中间电路的电压进行调节。此外，提高了蓄电池系统的可靠性，因为能够将有故障的蓄电池模块、也就是其至少一个蓄电池单元是有故障的蓄电池模块去激活。人们可以将可靠性理解为系统在预定的时间中正确工作的能力。如果将一个蓄电池模块去激活，那么直流中间电路的最大可能的电压对于蓄电池系统不再可用。但是这在驱动系统中不会导致整个系统的失灵，而是只导致具有减小了的功率的运行。
特别优选的是蓄电池在此直接与直流中间电路连接，也就是说不设有如图2中所示出的充电和分隔装置16以及分隔装置17。充电和分隔装置16、17必须对应于高要求并且实现了在负载下的蓄电池的安全分离。然而，因为耦合单元已经提供了这样的分离功能，所以能够通过相应地操控耦合单元来无电压地接通蓄电池触点。出于这个原因，假定没有维持对这种分隔装置的要求，因为没有电分离也实现了整个装置的期望的安全性。即使在耦合单元中多个半导体开关的有故障的串联连接(例如由于PN结的击穿)，也不会导致在蓄电池的连接端上存在不允许的高电压。
在蓄电池系统的一个实施变型中，为了提高蓄电池安全性，蓄电池模块组的耦合单元中的至少一个能够被构造为，根据第三控制信号将相应的蓄电池模块的第一端子与第二端子相互分离并且与至少一个蓄电池单元分离。在此，蓄电池模块与耦合单元高阻地连接，也就是说，蓄电池模块的两极不电气导通地连接并因此解耦。与上述实施形式相组合能够进一步提高安全性，因为能够关闭地连接直至双倍数量的开关。但是也能够独立于安全性方面来实现本发明的实施形式的该特征。
该耦合单元能够具有第一输出端并且被构造为根据第一控制信号或者将第一输入端或者将第二输入端与输出端连接。在此，输出端与蓄电池模块的端子中的一个连接，并且第一或第二输入端中的一个与蓄电池模块的端子中的另一个连接。能够使用仅仅两个开关、优选如MOSFET或IGBT的半导体开关来实现这样的耦合单元。
备选地，所述耦合元件能够具有第一输出端和第二输出端并且被构造为，根据第一控制信号将第一输入端与第一输出端连接并且将第二输入端与第二输出端连接。在此，耦合单元还被构造为根据第二控制信号将第一输入端与第一输出端分离并且将第二输入端与第二输出端分离并且将第一输出端与第二输出端相连接。该实施形式需要有些高的开关费用(通常三个开关)，如果蓄电池模块的蓄电池单元在其两极上解耦，从而在有威胁的深度放电或蓄电池模块的损害的情况下能够无电压地接通其蓄电池单元并且因此能够在整个装置的持续运行中无危险地进行更换。
控制单元能够包含蓄电池单元诊断单元，其与蓄电池模块的蓄电池单元相连或可相连。蓄电池单元诊断单元在此被构造为确定蓄电池单元的老化状态。控制单元被构造为将第二控制信号输出给如下的蓄电池模块，对于该蓄电池模块的蓄电池单元所述蓄电池单元诊断单元已经确定大于预定的最大老化状态的老化状态。蓄电池单元诊断单元能够应用任意已知的诊断方法，以便确定一个蓄电池单元或一组蓄电池单元的老化状态。因此能够获取并分析蓄电池单元的特征参数，如单元电压、单元温度、蓄电池电流、单元电压在负载变化时的动态变化以及类似参数。如果为蓄电池模块的一个或多个蓄电池单元确定的老化状态超过了预定的最大老化状态，则将蓄电池模块连接为非激活的，并且桥接其输出端。这能够有利地应用在蓄电池平衡的范围内或者用于在深度放电之前对蓄电池单元的保护。
特别优选的是，蓄电池单元是锂离子蓄电池单元。锂离子蓄电池单元具有在给定的体积中的高单元电压和高能量含量的优点。
本发明的第二方面涉及具有根据第一发明方面所述的蓄电池系统的机动车，其中所述电机被构造为驱动所述机动车。
本发明的第三方面提出了一种用于驱动蓄电池系统的方法，所述蓄电池系统具有蓄电池、与所述蓄电池连接的直流中间电路、与所述直流中间电路连接的逆变器和与所述逆变器连接的电机。在此所述蓄电池包含多个蓄电池单元。所述方法至少具有以下步骤：
将多个蓄电池单元解耦；
桥接所述多个蓄电池单元；以及
串联剩余的蓄电池单元，以便可变地调节所述直流中间电路的电压。
所述方法能够包含确定所述蓄电池单元的老化状态和将所述蓄电池单元的老化状态与预先给定的最大老化状态进行比较的附加的步骤，其中所述多个蓄电池单元恰好包括这些蓄电池单元，其老化状态大于所述最大老化状态。
附图说明
根据附图和随后的说明对本发明的实施例进一步阐明，其中相同的附图标记表示相同或功能上类似的构件。其中：
图1示出了根据现有技术的电驱动系统；
图2示出了根据现有技术的蓄电池的方框电路图；
图3示出了用于依据本发明的蓄电池的耦合单元的第一实施形式；
图4示出了耦合单元的第一实施形式的可能的电路技术上的实现；
图5A和5B示出了具有耦合单元的第一实施形式的蓄电池模块的两种实施形式；
图6示出了用于依据本发明的蓄电池的耦合单元的第二实施形式；
图7示出了耦合单元的第二实施形式的可能的电路技术上的实现；
图8示出了具有耦合单元的第二实施形式的蓄电池模块的实施形式；以及
图9示出了用在依据本发明的蓄电池系统中的蓄电池。
具体实施方式
图3示出了用于依据本发明的蓄电池系统的耦合单元30的第一实施形式。耦合单元30具有两个输入端31和32以及输出端33并且被构造为将输入端31或32之一与输出端33连接并且将其中另一个解耦。
图4示出了耦合单元30的第一实施形式的可能的电路技术上的实现，其中设有第一和第二开关35与36。每个开关35、36连接在输入端31或32中之一与输出端33之间。该实施形式提供的优点在于，两个输入端31、32都能够与输出端33解耦，从而输出端33是高阻的，这例如在维修或维护的情况下能够是有用的。此外，能够将开关35、36简单地实现为半导体开关，如MOSFET或IGBT。半导体开关具有有利的价格和高的开关速度的优点，从而耦合单元30能够在短时间内对控制信号或控制信号的变化进行反应。
图5A和5B示出了具有耦合单元30的第一实施形式的蓄电池模块40的两种实施形式。多个蓄电池单元11串联连接在耦合单元30的输入端之间。然而本发明并不限于蓄电池单元11的这种串联连接，也能够仅设有单个蓄电池单元11或设有蓄电池单元11的并联连接或混合串并联连接。在图5A的例子中耦合单元30的输出端与第一端子41连接而蓄电池单元11的负极与第二端子42连接。然而，如在图5B中的几乎对称的设置也是可能的，其中蓄电池单元11的正极与第一端子41连接而耦合单元30的输出端与第二端子42连接。
图6示出了用于依据本发明的蓄电池系统的耦合单元50的第二实施形式。耦合单元50具有两个输入端51和52以及两个输出端53和54。其被构造为，或者将第一输入端51与第一输出端53连接以及将第二输入端52与第二输出端54连接(并且将第一输出端53与第二输出端54解耦)，或者将第一输出端53与第二输出端54连接(并且在此将输入端51与52解耦)。此外，在耦合单元50的确定的实施形式中这还能够被构造为将两个输入端51、52与输出端53、54分离并且也将第一输出端53与第二输出端54解耦。然而并不设定，将第一输入端51与第二输入端52连接。
图7示出了耦合单元50的第二实施形式的可能的电路技术上的实现，其中设有第一、第二和第三开关55、56和57。第一开关55连接在第一输入端51与第一输出端53之间，第二开关56连接在第二输入端52与第二输出端54之间并且第三开关57连接在第一输出端53与第二输出端54之间。该实施形式同样提供了以下优点，亦即开关55、56和57能够简单地实现为半导体开关，例如MOSFET或IGBT。半导体开关具有有利的价格和高的开关速度的优点，从而耦合单元50可以在短时间内对控制信号或控制信号的变化进行反应。
图8示出了具有耦合单元50的第二实施形式的蓄电池模块60的实施形式。多个蓄电池单元11串联连接在耦合单元50的输入端之间。蓄电池模块60的该实施形式并不限于蓄电池单元11的这样的串联连接，也可以仅设有一个蓄电池单元11或设有蓄电池单元11的并联连接或混合的串联并联连接。耦合单元50的第一输出端与第一端子61连接，而耦合单元40的第二输出端与第二端子62连接。相对于图5A和5B的蓄电池模块40，蓄电池模块60具有的优点在于，蓄电池单元11能够通过耦合单元50与剩余的蓄电池双侧地解耦，这实现了在连续的运行中无危险的更换，因为蓄电池单元11的电极上都不具有蓄电池的剩余的蓄电池模块的危险的高的总电压。
图9示出了依据本发明的蓄电池系统的蓄电池的实施形式。蓄电池具有带有多个蓄电池模块40或60的蓄电池模块组70，其中优选地每个蓄电池模块40或60包含以相同方式连接的相同数目的蓄电池单元11。通常，蓄电池模块组70能够包含大于1的蓄电池模块40或60的数量。而且，如果安全条例需要这样，则在蓄电池模块组70的电极上附加地设有如在图2中的充电和分隔装置以及分隔装置。自然这样的分隔装置依据本发明是不必要的，因为蓄电池单元11与蓄电池连接端的解耦能够通过包含在蓄电池模块40或60中的耦合单元30或50来实现。
除了已经提到的优点以外，本发明还具有另外的优点，即其能够非常简单地模块化地由具有集成的耦合单元的单个的蓄电池模块构成。由此通用件(模块设计原理)的使用是可能的。

Claims (11)

1.一种蓄电池系统，其具有蓄电池、与所述蓄电池连接的直流中间电路、与所述直流中间电路连接的逆变器和与所述逆变器连接的电机，其中，所述直流中间电路包含电容器，并且所述蓄电池包含具有多个串联连接的蓄电池模块(40、60)的蓄电池模块组(70)和控制单元，每个蓄电池模块(40、60)包括耦合单元(30、50)和连接在所述耦合单元(30、50)的第一输入端(31、51)与第二输入端(32、52)之间的至少一个蓄电池单元(11)，并且其中所述耦合单元(30、50)被构造为根据第一控制信号接通在所述蓄电池模块(40、60)的第一端子(41、61)与所述蓄电池模块(40、60)的第二端子(42、62)之间的所述至少一个蓄电池单元(11)，并且根据第二控制信号将所述第一端子(41、61)与所述第二端子(42、62)连接，其特征在于，所述控制单元被构造为将所述第一控制信号输出给所述蓄电池模块组(70)的可变数量的蓄电池模块(40、60)，并且将所述第二控制信号输出给所述蓄电池模块组(70)的剩余的蓄电池模块(40、60)，并且由此可变地调节所述直流中间电路的电压，以驱动所述电机。
2.根据权利要求1所述的蓄电池系统，其中，所述蓄电池直接与所述直流中间电路连接。
3.根据权利要求1或2所述的蓄电池系统，其中，所述蓄电池模块组(70)的所述耦合单元(30、50)中的至少一个被构造为根据第三控制信号将相应的蓄电池模块(40、60)的所述第一端子(41、61)与所述第二端子(42、62)相互分离并且与所述至少一个蓄电池单元(11)分离。
4.根据权利要求1或2所述的蓄电池系统，其中，所述耦合单元(30)具有第一输出端并且被构造为根据所述第一控制信号将所述第一输入端(31)或者将所述第二输入端(32)与所述第一输出端连接。
5.根据权利要求1或2所述的蓄电池系统，其中，所述耦合单元(50)具有第一输出端和第二输出端(54)，并且被构造为根据所述第一控制信号将所述第一输入端(51)与所述第一输出端相连以及将所述第二输入端(52)与所述第二输出端(54)相连，并且根据所述第二控制信号将所述第一输入端(51)与所述第一输出端分离以及将所述第二输入端(52)与所述第二输出端(54)分离并且将所述第一输出端与所述第二输出端(54)相连接。
6.根据权利要求1或2所述的蓄电池系统，其中，所述控制单元包含蓄电池单元诊断单元，其与所述蓄电池模块(40、60)的蓄电池单元(11)相连，并且被构造为确定所述蓄电池单元(11)的老化状态，其中所述控制单元被构造为将所述第二控制信号输出给如下蓄电池模块(40、60)，对于蓄电池模块的蓄电池单元(11)，所述蓄电池单元诊断单元确定大于预定的最大老化状态的老化状态。
7.根据权利要求1或2所述的蓄电池系统，其中，所述控制单元包含蓄电池单元诊断单元，其能够与所述蓄电池模块(40、60)的蓄电池单元(11)相连，并且被构造为确定所述蓄电池单元(11)的老化状态，其中所述控制单元被构造为将所述第二控制信号输出给如下蓄电池模块(40、60)，对于蓄电池模块的蓄电池单元(11)，所述蓄电池单元诊断单元确定大于预定的最大老化状态的老化状态。
8.根据权利要求1或2所述的蓄电池系统，其中，所述至少一个蓄电池单元(11)是锂离子蓄电池单元。
9.一种机动车，其具有根据上述权利要求中任一项所述的蓄电池系统，其中，所述电机被构造为驱动所述机动车。
10.一种用于驱动蓄电池系统的方法，所述蓄电池系统具有蓄电池、与所述蓄电池连接的直流中间电路、与所述直流中间电路连接的逆变器和与所述逆变器连接的电机，其中，所述蓄电池包含多个蓄电池单元(11)，所述方法具有以下步骤：
将多个蓄电池单元(11)解耦；
桥接所述多个蓄电池单元(11)；以及
串联剩余的蓄电池单元(11)，以便可变地调节所述直流中间电路的电压，以驱动所述电机。
11.根据权利要求10所述的方法，其具有确定所述蓄电池单元(11)的老化状态和将所述蓄电池单元(11)的所述老化状态与预先给定的最大老化状态进行比较的附加的步骤，其中，所述多个蓄电池单元(11)恰好包括这些蓄电池单元(11)，其老化状态大于所述最大老化状态。
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