CN103180163A - 具有低电压区和高电压区的电力供给系统的电池管理系统 - Google Patents

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Abstract

一种电力供给系统(1)，特别地用于机动交通工具的电驱动或混合驱动，有如下部件：电能存储装置(2)，供给低电压并具有至少一个能量存储单元(3)和/或至少一个由至少两个能量存储单元(3)组成的单元模块(4)；电力负载(5)，在高电压下操作；电压转换器(6)，特别是直流电压转换器，将低压转成高压和/或将高压转成低压；控制装置(8)，控制电能存储装置(2)。此外电力供给系统(1)具有其中设有电能存储装置(2)的低压区(9)和其中设有电力负载(5)的高压区(10)。建议的是，控制装置(8)实质上布置在电力供给系统(1)的低压区(9)中。在本发明的一个优选的实施方式中，控制装置(8)实质上被集成到电压转换器(6)中。

Description

具有低电压区和高电压区的电力供给系统的电池管理系统
本发明涉及电力供给系统，特别是用于机动交通工具的电驱动或者混合驱动，所述电力供给系统具有低电压区和高电压区、供给低电压并且被布置在电力供给系统的低电压区中的电能存储装置、以及在高电压下操作并且被布置在电力供给系统的高电压区中的电力负载。
根据在机动交通工具中的应用，以及用于机动交通工具的电驱动或者混合驱动的电力供给系统来描述本发明。然而，应当指出的是，依据本发明的电力供给系统也能够被用于与机动交通工具无关的其他的应用中，特别是固定应用。
在本发明的框架下，电力供给系统被理解为一种具有用于产生电能的电源、用于传递并且在需要时转换电能的部件、用于将电能转换成例如机械能或者热能的其他形式的能量的电力负载，以及用于控制这些过程的装置和可能的其他部件的系统。
电力供给系统具有供给低电压的电能存储装置和在高电压下操作的电力负载。
在本专利申请的含义内，低电压被理解为是在0V和90V之间的电压，优选地在30V和60V之间，更优选地在40V和50V之间。在本专利申请的含义内，高电压被理解为是高于90V的电压，优选地高于150V，更优选地高于250V。
应当指出的是，虽然这些电压范围界限不必与在电气能源工程领域的范围中、用于低电压或高电压的常用的电压范围界限一致，但是，这些电压范围界限是在电动交通工具的领域中，用于电能存储装置，特别是例如锂离子电池的电池或者例如用于驱动交通工具的电动机的电力负载的常用的电压范围内。
由电能存储装置供给的低电压优选地为直流电。电力负载操作时的电压优选地为交流电。
电能存储装置被理解为一种用于存储以电能的形式释放的能量的装置。因此电能存储装置可以是根据纯粹的电气原理工作的能量存储装置，例如电容器，或者是电化学能量存储装置，例如（不可再充电的）原电池或者（可再充电的）二次电池，即蓄电池。
根据可再充电的电能存储装置描述本发明，然而本发明也能够被应用于非可再充电的电能存储装置。
电能存储装置具有至少一个、优选地为多个能量存储单元。能量存储单元被理解为在电能存储装置中的、可在其中存储能量的最小的结构单元。例如，能量存储单元具有被安置在单元壳体中的、由多个阳极、阴极和布置在其之间的分隔物组成的电极组件，以及用于放电和/或充电电流的导体和其它装置，例如防过热的保护电路或者保护器件，其中电化学能量存储装置中的所述电极组件被浸在例如液体或者凝胶型的电解质中。
电能存储装置还可以具有至少一个单元模块。单元模块被理解为是具有至少两个能量存储单元的、在电能存储装置内的结构单元，所述至少两个能量存储单元具有在正常操作期间没有被断开的电气连接件。优选地，单元模块具有在其中设置有至少两个电气互连的能量存储单元的壳体、共同的向外引导的电气接口，以及还可能包括其它器件，例如控制电路、传感器及冷却装置和/或灭火装置。电能存储装置内的单元模块组件被优选地相互并联连接。
虽然单元模块内的能量存储单元可以以任何的布置互相连接，然而，优选地将它们先串联连接然后并联连接。例如，在2个到14个之间的能量存储单元先串联连接，成为行状的单元链，然后将四个该单元链并联连接。例如，在将每个都具有4V额定电压的12个能量存储单元串联连接时，产生了单元链的—并因此还由四个单元链并联连接产生的—48V的额定电压，即在这里使用的意义上的低电压。
为了安全起见，由于例如在发生故障的情况下，在交通工具乘客或事故发生时所召集的援救人员接触带电部件时，不会发生直接的危险，因此对于电动交通工具的操作来说，这种类型的低电压是非常令人满意的。
在另一方面，此处在使用的意义上，以高电压驱动电动机是合乎需要的，以总是确保产生必要的扭矩或所需的扭矩，以达到足够的交通工具性能和高驾驶舒适性，例如，在交通工具的加速、最高速度或者牵引力方面。
因此电力供给系统还具有电压转换器，特别是直流转换器，其将低电压转换成高电压和/或将高电压转换成低电压。电压转换器将电能存储装置产生的低电压转换成电力负载所需的高电压。
在相反的方向上的功率流，即从电力负载到电能存储装置的功率流，也可以被提供在电力供给系统中，优选为实现再生制动，因此在制动时，通过操作为发电机的电动机，实现制动能量的反馈。在这种情况下，电压转换器也将电力负载供给的高电压转换成需要的低电压，在所述低电压下，如果电能存储装置是可再充电的，则其同样可以被充电。
如果电力负载所需的高电压应该是交流电压，电力供给系统还具有变换器（Wechselrichter），其将电压转换器供给的直流高电压转换成电力负载所需的交流高电压。
如果电力供给系统具有变换器，产生了使用高电压的其它原因，使得为实现必要的电功率时，必须流动的相应的电流比使用低电压时必须流动的电流小。由于变换器电子设备中的功率半导体的成本随着电流增加的比随着电压增加的更快，此处当使用高电压时，逆变器（Umrichter）具有成本优势。由于相同的原因，当使用高电压时，在电力供给系统内优选地由铜组成的线路可以被设计具有更小的横截面，并且因此比在使用低电压时更轻和更便宜。
最后，在没有电压转换器的情况下，为了由电能存储装置产生高电压，串联连接多个能量存储单元是必要的。然而，由于单个的能量存储单元的通常稍微不同的容量，导致在串联连接时的总容量损失，因此这样是低效率的。
以上描述的类型的，具有电能存储装置、电力负载以及电压转换器的电力供给系统，例如根据美国专利申请5373195是已知的。
电力供给系统还具有低电压区和高电压区。
低电压区实质上包括电力供给系统的仅在低电压下操作的所有的部件。因此，所有的在低电压区上占主导地位的电压都是低电压。
高电压区实质上包括电力供给系统的，完全地或部分地在高电压下操作的所有的部件。因此，在高电压区上占主导地位的电压实质上是高电压。然而，比高电压较低的电压也可以在高电压区占主导地位，因为它们与低电压区中的相反情况不同-没有显示出安全问题。
此处，电压转换器构成低电压区和高电压区之间的接口，并且其那些仅传导低电压的部分被包含在低电压区内，以及其余的部分被包含在高电压区内。
电力供给系统还具有用于控制电能存储装置的控制装置，其优选地为电池管理系统。这种类型的控制装置执行多种功能，优选地基于电能存储装置的测量参数，例如电压、电流和温度，监测和控制所连接的电能存储装置的放电或充电，以及在需要时矫正地干涉所述过程，以确保和优化交通工具的操作。为了该目的，除电能存储装置之外，控制装置也被连接至电力供给系统的内部和外部的多个其他的交通工具部件，例如连接至电力负载、电压转换器和其它的部件，例如发动机控制系统、外部充电仪器、外部诊断仪器或者如用于冲击检测（Aufprallerkennung）的加速度传感器的在交通工具中安装的传感器。
用于电能存储装置的这种控制装置例如根据由本专利申请的申请人提交的专利申请DE 10 2008 009 970和DE 10 2008 052 986是已知的。
DE 10 2008 009 970提出一种控制器件，特别地用于可再充电的能量存储单元（“电池管理系统”），其具有至少一个第一控制装置和至少一个第一存储单元，以及第二控制装置和第二存储单元，其中第一控制装置监测至少一个伽伐尼电池的至少一个功能参数的目标值的保持情况，其中功能参数的目标值被存储在第一存储单元中。因此，第一和第二存储单元是信号连接的，并且因此相互交换关于伽伐尼电池的功能参数以及“生命迹象”的数据。本专利申请还描述了随着时间变化的伽伐尼电池的功能参数的评估以及其未来随着时间变化的预测，例如确定能量存储单元的逐渐老化的目标。
DE 10 2008 052 986在技术上发展的目标是通过集成电路的方式改进这种电池管理系统。
本专利申请的发明的目标是，提供所描述的类型的电力供给系统，其利用电力供给系统的结构并且实现电力供给系统的安全操作。
这一目标通过具有独立权利要求1的特征的电力供给系统来实现。从属的从属权利要求给出了本发明的有利的改进方案。
根据本发明，控制装置实质上被布置在电力供给系统的低电压区中。仅控制装置的零星部件，例如与高电压区内的，如电力负载的部件建立连接的控制线路或者传感器，可能不被布置在低电压区内。然而，这些仅是那些对控制装置的操作非绝对必要的部件。在这些部件中的一些的或者所有的被切断的情况下，控制装置还可以继续执行大部分的功能。
根据本发明的控制装置实质上在低电压区中的布置具有的优点是，能够提供电力供给系统在低电压区和高电压区中的清晰的功能划分。特别地，当高电压区由于安全的原因被切断时，或者由于其它原因不可用时，低电压区继续保持功能。
在本发明的一个特别优选的实施方式中，控制装置实质上被集成到电压转换器中。
因此，术语“集成”可以具有的含义为，两个器件被共同实现为一个单一部件，该部件可以在一个工作步骤中被安装在交通工具中，以及其中并且用于该部件的特定的连接线路，例如通信总线或者用于这两个器件的供给电源的特定的线路也仅被设置一次。这两个器件优选地被容纳在共同的壳体内。
然而，术语“集成”还可以具有另外的意思，意为两个器件被实现为单一的集成电路的形式，所述集成电路同样具有仅被设置一次的连接线路和/或被容纳在单一的壳体内。
除了单一部件对比两个分离部件的明显优势—如较小的空间需求、较轻的重量、较低的制造和安装成本以及较低的能量消耗之外—由控制装置到电压转换器的集成构成了进一步的协同效应，因此，例如微控制器或者微处理器、存储器元件或者电力电子元件的特定的电子元件仅需要被设置一次。
另外，在控制装置被集成到电压转换器中时，在集成的部件内所提供的，由电能存储装置产生的低电压和由电压转换器产生的高电压，可以直接在集成的部件内，并因此可以以非常容易的方式被测量。
为了实现控制装置的功能，例如作为电池管理系统，实质上仅还需要例如电池电压、电流或者温度的用于电能存储装置的参数的传感器，以作为其它的部件。这样的传感器和可能-优选地为“非智能”的-用于处理电力供给系统的必要部件的部分的传感器测量值，例如信号放大器、模拟/数字转换器、编码或者调制电路，均优选地被布置在能量存储单元和/或单元模块内或上。
上面描述的控制装置的布置使电力管理系统的特别简单的结构成为可能。
在本发明的一个优选实施方式中，控制装置具有用于测量至少一个能量存储单元的至少一个功能参数的测量装置、用于评估至少一个能量存储单元的至少一个功能参数的评估装置，以及用于存储该功能参数或者由该功能参数推导出的变量的至少一个存储单元。
测量装置被理解为是用于获得能量存储单元的功能参数的装置。例如，其可以是用于测量如电气电压、电流和电荷等电气变量，而且还用于测量能量存储单元的温度的传感器。
功能参数被理解为可以用于描述能量存储单元的物理变量。例如，所述物理变量是能量存储单元的电容量、在能量存储单元的两极之间可以测量的空载电气电压或者取决于负载的端电压、用于充电或者放电导致的电流的强度、能量存储单元的内电阻、能量存储单元的已经带电量的或者可用的电荷、能量存储单元内的电极之间的泄漏电流或者电池的温度。根据电能存储装置的类型和用于其操作的需求，还可以是其它感兴趣的物理变量。
评估装置是指一种用于将功能参数从物理变量转换成运算变量的装置，例如通过尺度变换，为了运算处理的目的，例如借助于预先定义的计算规则，通过关联到其他测量的功能参数或者其他的变量，或者为了其他的处理如总结或者分类所检测的变量的目的。评估装置还用于使测量的功能参数通过控制装置可用于其它处理。
存储单元用于存储测量的功能参数或者由其推导出来的变量，例如从属的积分值或者导数值。时间标识也连同这些值一起被存储，以能够随后在时间上追溯能量存储单元中的过程。因此，存储单元例如是用于数据的易失性或者非易失性存储的电的、磁性的或者光学的可写的器件，例如RAM、闪速存储器、EEPROM、硬盘或者可写光盘。
在本发明的另一个优选实施方式中，由功能参数推导出的变量是电能存储装置、单元模块或能量存储单元的使用时间和/或剩余使用期限。由于能量存储单元的行为能够随着增长的使用时间而改变，使得例如未变的充电过程能够造成能量存储单元的减少的电荷或者减小的可用电压，因此这是重要的。
为了确定能量存储单元的老化，通过评估装置，由测量装置所测量的能量存储单元的功能参数，预测其未来的时间的趋势，并且因此还预测能量存储单元未来可容纳的电荷和/或其可提取出的电荷和/或其最高可达到的电气电压。以这种方式，可实现关于电能存储装置的其它操作的断定。根据关于一个或多个能量存储单元的老化的预测、还可以预测这些能量存储单元、单个的单元模块或者整个的电能存储装置的经济剩余使用期限。以这种方式，还能够发出必要的维护或者必要的更换的信号。
在本发明的另一个优选实施方式中，在能量存储单元的至少一个功能参数从目标值发生偏差时，控制装置引入至少一种措施，以保持这些目标值，和/或如果措施没有成功，则切断能量存储单元。这样的测量优选地用于电能存储装置的安全操作并因此有助于整个电力供给系统的安全操作。
功能参数可以是例如能量存储单元的温度，其不应超过特定的最高温度，以防止电能存储装置的点燃或者其他的损害。因此，用于保持目标值的措施可以例如是，减少从能量存储单元获取的充电电流，和/或加强的冷却能量存储单元，和/或冷却剂或者灭火剂的自动供给。如果通过这些措施不能够将单元温度降低至低于给定的最高温度，过热的能量存储单元或者单元模块或者甚至整个电能存储装置被切断。在后一种情况下，控制装置优选地试图仅切断尽可能最少的能量存储单元和/或单元模块，使得保持-可能在受限的形式内-电力供给系统的操作。
优选的是，用户被通知关于该措施和/或切断，并且如果通过措施或切断使电能存储装置的有效容量改变，则获得关于这些电容改变的消息。
在本发明的另一个优选实施方式中，当高电压区实质上被断开时，发生对于至少一个能量存储单元的至少一个功能参数或者由这些功能参数推导出的变量的测量和/或评估和/或存储。
这种高电压区的断开状态可以是例如存在于，当整个电力供给系统还没有被运转时，例如在电力供给系统或者其部分装配作为结构单元之后，但在被安装到机动交通工具之前，或者在从交通工具移除之后和在电力供给系统的拆卸和/或卸除之前。
已经处于可以长时间持续的这种状态下，并且在所述状态下发生例如电力供给系统或者其中的部分，特别是电能存储装置的运输或者存储时，监测和记录电能存储装置的状态是重要的。
在电能存储装置的这种状态中，感兴趣的且应该被检测的事件包括，例如，短路、接触部的松动（例如通过运输期间的振动造成的）、发生危险的加热或者或许由于潮湿条件下的泄露电流造成的无意的放电。一般而言，这些电能存储装置的安全性的，以及值的保持的监测优选地用于运输和存储期间。可能的是，该监测甚至可以基于法律所确定的规定。
然而，当不是正在使用交通工具或者如果由于另一个原因造成高电压区内的高电压被切断时，例如在冲击检测之后，在交通工具被运转之后高电压区也可能处于断开状态。
在本发明的另一个优选实施方式中，控制装置确定能量存储单元或者单元模块是否适用于电力供给系统和/或能量存储单元或者单元模块处于何种状态。
当电能存储装置最初装备有能量存储单元和/或单元模块时，而且还当一个或多个能量存储单元或者单元模块，例如由于有缺陷或者太旧而造成被更换时，用于能量存储单元或者单元模块的该适用性检查能够优选地被实现。
因此，适用性检查可以涉及例如能量存储单元的类型、有效电压或者有效电流。因此，适用性检查可以使用能量存储单元或者单元模块的相应被测量的功能参数。然而，还可以实现的是，执行关于通过在控制装置和优选的单元模块之间的通信链路上传输的数据的读取的适用性检查。以这种方式，还可以进一步确定与能量存储单元或者单元模块的适用性相关的参数，例如，制造商、标识号或者那些功能参数，所述功能参数不能被直接的物理性测量，但以数据形式被存放在能量存储单元或者单元模块中，例如最高或最低可允许的操作温度或者最大的放电电流。
这种适用性检查的结果可以包括接受所检查的能量存储单元或者所检查的单元模块并且构成了其在电能存储装置中的电气的和/或数据技术的集成。然而，结果还可以包括拒绝能量存储单元或者单元模块，相应的信息被输出到用户或者评估人员。
相应地，可以实现能量存储单元或者单元模块的状态的最初检查，例如确定电荷的状态。
这种状态的检查的结果可以包括新的能量存储单元或者新的单元模块到特定的充电状态的自动再充电，或者到特定操作温度的冷却或加热。
新被容纳到电能存储装置中的能量存储单元或者单元模块的适用性检查和状态检查都用于正确地配置和安全地操作电能存储装置。
根据本发明的另一个优选实施方式，如果高电压区经受高电压，发生至少一个能量存储单元的至少一个功能参数或者由该功能参数推导出的至少一个变量的测量和/或评估和/或存储。
电力供给系统的这种状态一般发生在电力供给系统的正常的且没有被干扰的操作期间。在这种状态下，控制装置还执行其主要任务，即在机动交通工具的操作期间，以尽可能最佳的，即节能的和/或保护电能存储装置的方法和方式控制电能存储装置。在优化操作时，可以例如考虑单个能量存储单元的老化及其所包含的单元模块内或整个电能存储装置内的电荷行为，以增加电能存储装置的利用价值并且延长其使用期限。
本发明的另一个优选实施方式的特征在于，在异常的操作条件下，特别地是在发生事故时，
-控制装置中断至少两个能量存储单元或单元模块之间的电气连接，和/或
-对至少一个能量存储单元的至少一个功能参数的评估具有评价能量存储单元、单元模块或者电能存储装置的功能性的步骤；和/或
-由至少一个能量存储单元的至少一个功能参数推导出的变量是关于能量存储单元、单元模块或者电能存储装置的功能性的报告。
所提到的特征对应于“事故安全模式”，在该模式中，通过将能量存储单元或者单元模块分开，通过针对性地中断电能存储装置内的电气连接来防止能量存储单元的不受控制的、突发的放电。
同时，能量存储单元应该-尽可能实现自动化的-检查由事故带来的可能的损害，优选地在其中启动用于能量存储单元的检验程序。
最后，机动交通工具的使用者应该在事故之后接收到提供关于单个能量存储单元、单元模块或者整个电能存储装置的其它功能性的可靠信息的报告。该报告应该能够使使用者做出是否可以继续使用该交通工具—例如处于应急操作中—或者是否需要外来援助的决定。然后，关于能量存储系统的功能性的报告也直接对召集的维修技术员可用并且能够支持其诊断和修理作业。
在本发明的另一个优选实施方式中，能量存储单元是可再充电的，并且控制装置能够通过在这些能量存储单元之间转移电荷来均衡不同能量存储单元的不同的充电状态。
因此电荷的提取或者存储可以被均匀地分配到单个的能量存储单元，特别是在大量的串联连接的能量存储单元时。这一过程能够增加单元模块和电能存储装置的总可用容量并延长单个的能量存储单元的使用期限并因此延长整个电能存储装置的使用期限。对于实现这种电荷的均衡，所谓的静态方法和所谓的动态方法是已知的。
在本发明的另一个优选实施方式中，控制装置能够控制具有不同结构和/或不同容量和/或不同性能数据的能量存储单元或者单元模块。
因此这样能够使能量存储系统具有更加灵活的配置，其中，例如离子和非离子型能量存储单元，如锂离子电池、锂聚合物电池、磷酸铁锂电池以及铅电池、大功率和高能电池或者甚至电的和电化学能量存储单元如电容器和蓄电池，可以在能量存储系统中被混合和共同操作。相应地，不同容量的能量存储单元也能够被混合并且它们的容量累积。当新类型的具有较大容量的电池变得可用时，电能存储装置能够优选地随着时间被逐渐地“升级”。
在发明的另一个优选实施方式中，控制装置能够取决于电力供给系统的状态，特别取决于使用条件和/或危险条件，以更改高电压区内的电压，特别是接通或者切断。
这种危险条件优选地为机动交通工具的冲击的识别，由于冲击能够暴露出可以对乘客或者第三方带来致命危险的带电部分，所以在所述冲击之后应该立即切断交通工具内的高电压。
在其中高电压区内的高电压应该被接通或者切断的工作状态，优选地为交通工具的操作或者非操作，还例如为电池盖或者发动机罩的打开和/或关闭，从而暴露出自身携带高电压（例如电动机）或者可以作用于这种部件（例如通过接触电能存储装置的部分）的部件。因此这一特征也有助于电力供给装置的安全操作。
在本发明的另一个优选实施方式中，控制装置能够获得关于高电压区和低电压区之间的、优选地在两个方向上的功率流的数据。用于在两个方向上获得功率流的先决条件是，电压转换器双向起作用，因此既能够将低电压转换成高电压又能够将高电压转换成低电压。
同时，在机动交通工具的正常操作期间，发生从低电压区中的电能存储装置到高电压区中的电力负载的功率流，当机动交通工具的电动机被操作为发电机时，并且由其产生的能量被反馈到电能存储装置时，优选为在再生制动时，可以发生从高电压区到低电压区的反向功率流。
当给电能存储装置充电时，可能发生功率流从高电压区到低电压区的另一种情况，特别地在优选地通过常规的230V电源接线发生外部充电的情况下，或者在优选地通过所谓的“里程扩展器”，即具有增加交通工具的里程的作用的发电机的小的内燃机发生内部充电的情况下。在这些情况下，以任何方式提供的电压转换器均可以用于产生必要的低电压。
最后，电能存储装置还可以被用作电力供给系统的外部能量缓冲器，其中功率流在充电时如上方式发生，而缓冲能量反馈进入电网时产生从低电压区到高电压区的功率流。
在所有引用的情况中，控制装置能够测量、评估和存储关于所传送的电功率和能量的数据，必要时，为了结算所提取和/或供给的能量的目的，使得能够推导出关于电能存储装置的状态，例如充电状态的始终最新的信息。
在本发明的另一个实施方式中，控制装置能够分别地监测每一个单元模块，其中电能存储装置内的至少两个单元模块被优选地相互并联连接。这样还可以增加单元模块和其中所包含的能量存储单元的使用期限。所监测的参数和/或鉴定的事件为，例如单元模块的电压、电流、温度或充电状态以及单元模块处的过电压和欠电压、过载电流、过热、短路或者连接中断。
在本发明的另一个实施方式中，控制装置能够至少部分地单独给单个的能量存储单元或者单元模块充电。因此，这样做可考虑到例如通过能量存储单元的不同的老化所限制的单个的能量存储单元的可能不同的电荷状态或者容量。类似地，按以上描述的单个的能量存储单元之间的充电的均衡，将因此实现单个的能量存储单元的均匀的充电和放电，这样还增加了能量存储单元的使用期限以及提高了电能存储装置的整体性能。
理所当然，以上描述的本发明的实施方式中的多个还可以在技术上可能的程度上被任意地相互结合。
在下面的附图中以框图的形式描述了依据本发明的电力供给系统的示例性实施方式。示出为：
图1是依据本发明的电力供给系统的框图，以及
图2是依据本发明的电力供给系统的框图，其中控制装置被集成到电压转换器中。
图1示出了使用在电动交通工具或者混合动力交通工具中的依据本发明的电力供给系统1的一个实施方式，其中由折线界定的两个封闭框示出了低电压区9和高电压区10。
电池2、电池管理系统8以及电压转换器6中仅低电压占主导地位的部分被位于低电压区9内。据此电池2表示电能存储装置以及电池管理系统8表示控制装置。电压转换器6是直流转换器。电池2可以具有一个或者多个单元模块4，其中的一个单元模块由细虚线边界线描绘指示出来。单元模块4还具有两个并联连接的电池链，每一个电池链由8个串联连接的电池单元3构成。
在本实施例中，单个的电池单元3每个都具有4V的额定电压，使得每一个电池链，以及整个的单元模块具有32V的额定电压。电池单元3是例如具有60Ah的最大存储容量的锂离子电池。
同样，用于控制电池2的电池管理系统8也位于低电压区9中。电池管理系统8实现以上描述的功能的全部或者一部分，还包括调节电池2的充电过程。
在一个示例性的配置中，电池2通常以1至3C/s（库伦/秒），最大5C/s，以及快速地简单地（最大3秒）以90C/s的充电率被充电。电池2的放电也由电池管理系统8调节，通常实现1至10C/s，最大20C/s，以及快速地（3-4秒）125C/s的放电率。后者最高的放电率用于短时间内提供所需的高推进功率，特别地在超过其他交通工具的时候，其中可以非常迅速地达到最高的放电率，例如40ms的启动时间。电池2的最低操作温度为-40°C。电池管理系统8的另一示例性的数据为6mW的能量需要、通过I2C或者CAN总线、RS-232或者USB接口的外部监测和诊断的可能性。电池管理系统8满足IEC 62660测试标准以及其它ISO标准和电磁兼容标准。
电池管理系统8可以被实现为电路板上的电路，例如尺寸为250x80mm、180x200mm或者200x300mm，并具有28mm的最大厚度的电路板，或者可以被实施为单独的集成电路。
电力供给系统1的部件之间的功能连接由图1中的双向箭头显示，其能够代表通信线路和/或电力供给线路。在通信线路的情况下，可以例如通过如以上所述的CAN总线或者通过串行RS-232接口建立连接。
在低电压区9中，电池2被连接至电压转换器6的低电压输入端。电池管理系统8被连接至电池2和在低电压区内的电压转换器6的部分，以能够，例如，检测电压转换器6的故障或者失效，并因此能够在紧急情况下切断电池2。
电压转换器6中的高电压占主导地位的部分位于高电压区10中。由于电池2供给直流电压并且电压转换器6也是直流转换器，因此电压转换器6的高电压输出端被连接至将电压转换器6供给的直流高电压转换成交流高电压的逆变器7。在逆变器7中借助功率半导体实现转换。
电池管理系统8还被连接至逆变器7；然而，由于例如在紧急情况下，高电压区10能够从低电压区9断开，因此所谓的连接也被断开，所以该连接不是永久的。以此，该连接用虚线箭头表示。
此外，电动机5作为电力负载位于高电压区10中。电动机5可以驱动机动交通工具（未示出）的机械驱动系统，所述机械驱动系统由例如驱动轴、离合器、变速器、差速齿轮以及一个或多个驱动车轮组成。然而，电动机5还可能被构建成轮毂发动机并对驱动车轮进行直接驱动。在这种情况下，可以设置多个电动机5，即为每一个驱动车轮设置一个所述电动机5，其中电动机5可单独地控制产生各自车轮所需的扭矩。此外，电动机5还可以是具有额外内燃机（未示出）的混合驱动的部分。
电动机5还被连接至电池管理系统8，例如用于检测例如过热的异常的操作状态，以及随后发生的电池2的紧急切断。由于如以上所述的相同的原因，该连接被描绘成虚线箭头。由于在没有另一个电压转换器的情况下，低电压区9中的电池管理系统8和高电压区10中的逆变器7或者电动机5之间的能量传送将是不容易成为可能的，所以在一侧的电池管理系统8和在另一侧的逆变器7和/或电动机5之间的连接仅是通信线路，而不是电力供给线路。
依据本发明的电力供给系统1还可以包括图1中未示出的另外的部件，例如用于提供所需扭矩的发动机控制器、用于提供具有外部充电接口的用于电池2的充电设备、或者用于测量电池或者例如电池电压、电池电流、电池温度或者电池2经受的加速度的其它的参数的多种传感器。
电动机5还可以被用作发电机，特别地用于回收制动能量。此外，功率流在图1中由右边流向左边，即由电动机5产生的高电压在被在该情况下被用作整流器的逆变器7中，或者在额外设置的整流器中被转换成直流高电压，由电压转换器6将其转换成直流低电压，最终通过所述直流低电压给电池2充电。
因此，所有所述的功能可以由电池管理系统8来控制和/或监测。
图2示出了依据本发明的电力供给系统1的另一个实施方式，其中电池管理系统8被集成到电压转换器6中。因此，集成可以被实现为电压转换器6内的额外的电路板或者额外的集成电路，或者还被实现为包含电池管理系统8和电压转换器6的其它集成电路。图2中示出的本发明的实施方式的特征在于为控制装置8额外设置的硬件的最小花费。
理想地，电池管理系统8的功能在已经以任何方式设置在电压转换器6中的微处理器中全部被实现。在这种情况下，实现电池管理系统8仅还需要用于电池和其他的参数的必要的传感器。
由于电压转换器6中的内部线路和/或已经存在于电压转换器6和电池2或逆变器7之间的连接线路可以被用于相同的目的，所以由于将电池管理系统8集成到电压转换器6中，还取消了从电池管理系统8到电压转换器6、电池2和逆变器7的连接线路。该情况下，还导致电力供给系统1内较低的布线花费。此外，仍设置仅一条连接线路到达电动机5，该线路不紧邻电压转换器6。
参考标记列表
1  电力供给系统
2  电池
3  电池单元
4  单元模块
5  电动机
6  电压转换器
7  逆变器
8  电池管理系统
9  低电压区
10 高电压区

Claims (14)

1.一种电力供给系统（1），特别地用于机动交通工具的电驱动或混合驱动，其中所述电力供给系统（1）具有：
-电能存储装置（2），其供给低电压并且具有至少一个能量存储单元（3）和/或至少一个由至少两个能量存储单元（3）组成的单元模块（4）；
-电力负载（5），其在高电压下操作；
-电压转换器（6），特别是直流电压转换器，其将低电压转换成高电压和/或将高电压转换成低电压；
-低电压区（9），其中设有所述电能存储装置（2）；
-高电压区（10），其中设有所述电力负载（5）；
-控制装置（8），用于控制所述电能存储装置（2）；
其特征在于：
所述控制装置（8）实质上被布置在所述低电压区（9）中。
2.根据权利要求1所述的电力供给系统（1），
其特征在于，
所述控制装置（8）实质上被集成到所述电压转换器（6）中。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的电力供给系统（1），
其特征在于，
所述控制装置（8）具有用于测量至少一个能量存储单元（3）的至少一个功能参数的测量装置和用于评估所述至少一个能量存储单元（3）的至少一个功能参数的评估装置，以及用于存储所述功能参数或者由所述功能参数推导出的变量的至少一个存储单元。
4.根据权利要求3所述的电力供给系统（1），
其特征在于，
由所述功能参数推导出的变量是所述电能存储装置（2）、单元模块（4）或能量存储单元（3）的使用时间和/或剩余使用期限。
5.根据权利要求3或4中的任一项所述的电力供给系统（1），
其特征在于，
在能量存储单元（3）的至少一个功能参数从目标值发生偏差时，所述控制装置（8）引入至少一种措施，以保持所述目标值和/或，如果所述措施没有成功，则切断所述能量存储单元（3）。
6.根据权利要求3至5中的任一项所述的电力供给系统（1），
其特征在于，
当所述高电压区（10）实质上被断开时，发生对于所述至少一个能量存储单元（3）的至少一个功能参数或者对于由所述功能参数推导出的至少一个变量的测量和/或评估和/或存储。
7.根据权利要求6所述的电力供给系统（1），
其特征在于，
所述控制装置（8）确定能量存储单元（3）或者单元模块（4）是否适用于所述电力供给系统（1）和/或确定能量存储单元（3）或单元模块（4）处于何种状态。
8.根据权利要求3至5所述的电力供给系统（1），
其特征在于，
当所述高电压区（10）经受高电压时，发生对于所述至少一个能量存储单元（3）的至少一个功能参数的测量和/或评估和/或存储，或者发生对于由所述功能参数推导出的变量的测量和/或评估和/或存储。
9.根据权利要求8所述的电力供给系统（1），
其特征在于，
在异常的操作条件下，特别是发生事故时，
-所述控制装置（8）中断至少两个能量存储单元（3）或单元模块（4）之间的电气连接，和/或
-对所述至少一个能量存储单元（3）的至少一个功能参数的所述评估具有评价所述能量存储单元（3）、单元模块（4）或者所述电能存储装置（2）的功能性的步骤；和/或
-由所述至少一个能量存储单元（3）的所述至少一个功能参数推导出的变量是关于所述能量存储单元（3）、单元模块（4）或者所述电能存储装置（2）的功能性的报告。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的电力供给系统（1），
其特征在于，
所述能量存储单元（3）是可再充电的，并且所述控制装置（8）能够通过在所述能量存储单元（3）之间转移电荷来均衡不同能量存储单元（3）的不同的充电状态。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的电力供给系统（1），
其特征在于，
所述控制装置（8）能够控制具有不同结构和/或不同容量和/或不同性能数据的能量存储单元（3）或者单元模块（4）。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的电力供给系统（1），
其特征在于，
所述控制装置（8）能够取决于所述电力供给系统（1）的状态，特别是取决于使用条件和/或危险条件，以更改高电压区（10）内的电压，特别是接通或者切断。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的电力供给系统（1），
其特征在于，
所述控制装置（8）能够获得关于所述高电压区（10）和所述低电压区（9）之间的、优选地在两个方向上的功率流的数据。
14.一种控制电力供给系统（1）的方法，
其特征在于，
所述电力供给系统（1）是依据前述权利要求中的任一项所述的电力供给系统，并且所述方法被提供用于在所述电力供给系统（1）的控制装置（8）上执行。
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