CN103250322A - 用于在电驱动系统中使用的设备和用于运行这种设备的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于在电驱动系统（2）中，尤其是机动车的混合动力驱动系统中使用的设备（1），其具有至少一个布置在并联电路中的第一（5a）和第二（5b）电池系统（5a、5b、5c……），其负载输出端（9）汇合成共同的负载输出端（11），其中，每个电池系统（5a、5b、5c……）都具有能量存储器（6）和与之耦接的预充电电路（14），其中，借助预充电电路（14）的输出端（14a）分别形成电池系统（5a、5b、5c……）的负载输出端（9），其中，每个电池系统（5a、5b、5c……）的负载输出端（9）借助预充电电路（14）能分别与共同的负载输出端（11）接通和断开，其中，共同的负载输出端（11）尤其借助中间电路电容器（13）、立即与设备（1）的逆变器（3）的逆变器输入端（12）能量耦合。一种用于运行设备（1）的方法也被提出。

Description

用于在电驱动系统中使用的设备和用于运行这种设备的方法

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于驱动电驱动系统的设备以及为此的根据权利要求5的前序部分所述的方法。

背景技术

在未来，尤其在内城中越来越多地提供所谓的“零排放区”。这是如下区域，只有那些无排放行驶的车辆允许在该区域中行驶。例如在该区中的巴士和运输载重汽车必须例如纯电动地运行。

在具有并联式混合驱动装置的车辆中，除既有内燃机组也有电动机组来驱动车辆的所谓的混合行驶之外，此外作为驱动类型存在如下可能性，即，在断开内燃机时仅利用电动机并且由此无排放地驱动车辆。为了可以纯电动地行驶足够的距离，必须在一个或多个能量存储器中提供足够的电能。

此外公知有如下所谓的插电式混合动力车辆，其电池不仅可以通过制动能量的回收利用，即通过有效制动，或通过内燃机，而且额外地也可以经由供电网借助外部的充电站来充电。插电式混合动力车辆结合了电动车辆和纯内燃机车辆的优点。一方面可以在城市交通中，例如在环保区中纯电动地并且由此无排放且无噪音地行驶，而另一方面即使当电池具有低的充电状态时也可以借助内燃机行经更长的距离。

到目前为止，部分地由于高的研发费，在纯电动运行中没有适当的用于行经更长距离的电池。这必须提供高的能量含量并且额外地具有高的功率性能，以便在纯电的运行中保障必需的行驶动力。

与此相反地，在目前能提供的用于混合动力车辆的电池被设计用以接受并且又送出回收利用的能量，也就是说其预计寿命在很大的能量提升的情况下，如该能量对于纯电动行驶所必需的那样，剧烈下降。因为该电池非常贵，所以其单独地并不适合长期用于纯电动行驶。

在现有技术中因此提出，多个电池经由功率电子元件并联地接在一起，以便提高能量含量和功率性能。这种做法例如在文献DE102007009009A1中被详细描述。然而，并联电路的主要缺点在于电池的控制。不同的内阻导致电池在运行时不对称，所述不同的内阻取决于生产地或由于温差而引起。这有如下影响，即，极大地限制了电动行驶里程和功率性能。为了控制并且由此避免并联的电池的不对称，中间电路电子元件是必需的，其非常昂贵并且此外必须大且重地设计，以便切换在该情形下流动的高电流。

发明内容

由此出发，本发明的任务是克服现有技术的上述缺点并且提出一种设备以及一种用于与电动驱动系统一起使用的方法，其能够利用较少的花费实现并联的电池或电池系统的运行，而不需要在逆变器上的中间电路电子元件。

在设备方面，该任务根据本发明通过权力要求1的特征来解决。在方法方面，该任务通过权力要求5的特征来解决。

根据本发明地提出一种用于在电驱动系统中，尤其在机动车的混合动力驱动系统中所使用的设备，其具有至少一个布置在并联电路中的第一和第二电池系统，它们的负载输出端汇合成共同的负载输出端，其中，每个电池系统都具有能量存储器和与之耦接的预充电电路，其中，借助预充电电路的输出端而分别形成电池系统的负载输出端，其中，每个电池系统的负载输出端借助预充电电路能分别与共同的负载输出端接通和断开，其中，共同的负载输出端尤其借助中间电路电容器、立即与设备逆变器的逆变器输入端能量耦合。

在根据本发明的设备的实施形式中，每个电池系统的负载输出端能分别借助该电池系统的电池管理系统来接通或断开，其中，电池管理系统尤其驱控预充电电路和/或接触器。

在根据本发明的设备的另一实施形式中，电池管理系统与设备的控制仪器，尤其与混合控制仪器协同作用。

在根据本发明的设备的又一实施形式中，设备为此被构造用以将至少第一电池系统和/或第二电池系统的负载输出端交替地接到共同的负载输出端上。

根据本发明提出一种用于运行根据本发明的尤其在电驱动系统中的，及甚至在混合动力驱动系统中的设备的方法，其中，在第一步骤中，将电池系统的第一电池系统，尤其依赖于其能量存储器的充电状态，借助其预充电设备与共同的负载输出端断开，其中，在第二步骤中，将电池系统的第二电池系统，尤其依赖于其能量存储器的充电状态，借助其预充电设备接通到共同的负载输出端上。

此外提出一种方法，其中，电池系统的第一电池系统与共同的负载输出端的断开和/或电池系统的第二或另外的电池系统在共同的负载输出端上的接通在逆变器运行期间，尤其为了驱动目的，进行。

按根据本发明的方法的观点，尤其在第一步骤之前和在第二步骤之后，总是分别将多个电池系统中的正好一个电池系统在逆变器运行中接通到共同的负载输出端上。

按根据本发明的方法的另一观点，在第二步骤中，电池系统的接通借助被接通的电池系统的预充电设备在提升了逆变器输入端电压提升的情况下进行。

按根据本发明的方法的又一另外的观点，在第二步骤中如下电池系统被接通，其能量存储器比在第一步骤中被断开的能量存储器具有更高的充电水平。

根据本发明还提出一种方法，其中，至少在第一步骤和第二步骤的持续时间上，将电池系统的第三电池系统并联地接通到共同的负载输出端上，尤其用于稳定逆变器输入端电压，其中，电池系统的第三电池系统尤其借助其自身的预充电设备被接通和断开。

此外根据本发明提出一种方法，其中，在发生从逆变器到共同的负载输出端的能量反馈以便对能量存储器充电的情况下，在第一步骤中将如下电池系统与共同的负载输出端断开，其能量存储器具有第一充电状态，尤其是高的充电状态，而在第二步骤中将如下电池系统接通到共同的负载输出端上，其能量存储器具有相对于被断开的电池系统的能量存储器更低的充电状态。

按根据本发明的方法的观点，在第二步骤中被接通的电池系统依赖于其能量存储器的充电状态从多个用于接通到共同的负载输出端上的电池系统中选出。

根据本发明还提出一种机动车，尤其是具有根据本发明的设备的插电式混合动力机动车。

本发明另外的特征和优点借助示出本发明主要细节的附图由以下本发明的实施例的描述和权利要求中得出。各特征可以本身单独地或多个任意组合地在本发明的变型方案中实现。

附图说明

对本发明示例性的实施形式下面借助附图进行详细阐述，其中：

图1举例性地示出根据本发明可能的实施形式的用于形成根据本发明的设备的电池系统；

图2举例性地示出根据本发明可能的实施形式的用于实施根据本发明的方法的设备。

在下面的附图描述中相同元件或相同功能设有相同附图标记。

具体实施方式

图2举例性且示意性地示出用于在电驱动系统2，尤其是混合动力机动车以及甚至尤其是插电式混合动力机动车中使用的根据本发明的设备1。设备1具有逆变器3，尤其是电压逆变器，其为了连接驱动系统2的电驱动机组4，例如转场式电机而设置。为了驱动机组4，逆变器3例如以脉冲宽度调制（Puls Width Modulation，PWM）来运行。为此逆变器3除了由功率半导体结构元件组成的功率开关之外还具有例如用于功率开关的功率半导体结构元件的控制仪器。

此外根据本发明，设备1具有多个尤其同样类型的电池系统5a、5b、5c……，至少一个第一电池系统5a和一个第二电池系统5b，其分别包括或具有能量存储器6，例如图1。电池系统5a、5b、5c……的能量存储器6可以分别借助多个部分能量存储器6a、6b、6c……形成或形成为单独的能量存储器6。能量存储器6或部分能量存储器6a、6b、6c……以电池单元的形式形成，替选地例如以燃料电池或超级电容的形式形成。多个部分能量存储器6a、6b、6c……可以例如并联或像示出的那样串联以形成能量存储器6。

根据本发明，电池系统5a、5b、5c…尤其分别借助能量存储器6以蓄电池的形式，尤其以牵引用电池的形式形成。在能量存储器6的输出端7上，即在电接头之间提供有存储的能量，其中，电池系统5a、5b、5c……尤其分别提供直流电压。

电池系统5a、5b、5c……例如具有壳体8以及此外各一个电输出端，即负载输出端9，其中，电池系统的部件被保护或隔离以防环境影响地容纳在该壳体8中，经由该负载输出端9，即负载侧的输出端可以送出能量存储器6的能量。负载输出端9分别尤其借助电池系统5a、5b、5c……的两个连接夹10形成，其例如可以从壳体8中导出。

根据图2根据本发明设置，至少一个第一电池系统5a和至少一个第二电池系统5b，尤其多于两个电池系统5a、5b、5c……并联以形成根据本发明的设备，其中，电池系统5a、5b、5c……的负载输出端9汇合成，即以电的方式汇合成共同的负载输出端11。这样形成的共同的负载输出端11根据本发明直接或立即与设备的逆变器3的逆变器输入端12能量耦合，也就是说不需要接在共同的负载输出端11与逆变器3之间的功率电子元件。

在此尤其地，用于能量耦合的中间电路电容器13，尤其以至少一个中间电路电容器13的形式接在逆变器3的输入端12之前。耦合元件或中间电路电容器13为此尤其设置，存储或缓存借助共同的负载输出端11所输送的能量，以便将该能量例如以所设置的电压水平满足需要地提供给用于驱动电驱动机组4的逆变器3。耦合元件13尤其接在逆变器3的输入夹3a之间。

此外每个电池系统5a、5b、5c……根据本发明具有预充电电路14，其尤其可以是各自的电池系统5a、5b、5c……的集成的组成部分或分别配属于该电池系统。预充电电路14为此设置，限制高的充电电流，布置在共同的负载输出端11上的耦合元件或能量存储元件13可以引起该充电电流。借助各一个预充电电路14，逆变器输入端电压可以被有针对性地提高到要与共同的负载输出端11电连接的电压系统5a、5b、5c……的电压水平，而不会出现损坏。

根据本发明，预充电电路14分别与电池系统5a、5b、5c……的能量存储器6耦接，即电耦接，其中，借助预充电电路14的输出端14a分别形成负载电池系统5a、5b、5c……的输出端9。预充电电路14以本身公知的方式具有预充电接触器15和主接触器16以及预充电电阻17，其中借助接触器15、16每个电池系统5a、5b、5c……的负载输出端9都分别在共同的负载输出端11上接通和断开，即通过打开接触器15、16和闭合例如一个接触器15或16。此外，在电池系统5a、5b、5c……中可以布置另外的接触器，例如图1。

因此借助预充电电路14，每个电池系统5a、5b、5c……的各自的负载输出端9可以用简单的方式与共同的负载输出端11接通或断开。为了驱控电池系统5a、5b、5c……的各自的预充电电路14，根据本发明设置有各自的电池系统5a、5b、5c……的各一个电池管理系统18或电池控制仪器，其例如与电池系统集成地形成。电池管理系统18尤其分别驱控各自的预充电电路14的至少一个接触器15、16用以将负载输出端9与共同的负载输出端11接通或用于与共同的负载输出端11断开，其中，为了接通尤其首先可以闭合预充电接触器15并且跨接主接触器16，即在预充电后将电池系统5a、5b、5c……接通到共同的负载输出端11上。

为了有针对性地将电池系统5a、5b、5c……与共同的负载输出端11接通和断开，根据本发明设置，电池管理系统18分别与设备1的控制仪器19，尤其是混合控制仪器协同作用。借助控制仪器19，用于打开和闭合接触器15、16的开关信号被传达给电池管理系统18，从而使得接通和断开各自的负载输出端9能够以简单的方式实现。控制仪器19的信号例如经由总线20传达到各自的电池管理系统18。尤其地，利用以这种形式构造的设备1，不同电池系统5a、5b、5c……的负载输出端9可以交替地接到共同的负载输出端11或逆变器3上。

在根据本发明的用于尤其在电驱动系统2中运行设备1的方法中，在第一步骤中将电池系统5a、5b、5c……的第一电池系统，例如电池系统5a，尤其依赖于其能量存储器6的充电状态，借助其预充电设备14与共同的负载输出端11断开。在为了驱动目的，也就是说为了对负载侧的机组4进行供给的逆变器3的运行中，这种要断开的电池系统5a尤其是其充电状态比较低并且例如下降到预先确定的阀值以下的电池系统。充电状态例如被电池系统5a的电池管理系统18监测并且例如经由总线20传达到控制器19。

在第二步骤中，在根据本发明的方法中电池系统5a、5b、5c……的第二电池系统，例如电池系统5b，尤其又依赖于其能量存储器6的充电状态，借助其预充电设备14接通到共同的负载输出端11上。在尤其用于驱动目的的逆变器3运行中，尤其以借助各自的电池管理系统18监测到的且传达到控制器19的另外的电池系统5a、5b、5c……的另外的能量存储器6的充电状态为基础，如下电池系统5b由控制仪器19选出，该电池系统的能量存储器6具有高的，尤其是与另外的电池系统5a、5c、5d……相比最高的充电状态。

被选出的电池系统5a、5b、5c……例如电池系统5b借助其负载输出端9接通到共同的负载输出端11上，其中，尤其借助预充电接触器15和预充电电阻17在充分利用预充电可能性的情况下接通，也就是说另外的电池系统5b的接通在第二步骤中借助要接通的电池系统，例如5b的预充电设备14在提高了逆变器输入端电压的情况下进行。

因此借助根据本发明的方法，空电池或能量存储器6可以用简单的方式与逆变器3电分离，并且新电池或能量存储器6可以用简单的方式接通用以进一步驱动电动机组4。

根据本发明在此尤其设置，尤其在第一步骤之前，也就是说在断开第一电池系统5a之前和在第二步骤之后，也就是说在接通第二或另外的电池系统5b、5c……之后，多个电池系统5a、5b、5c……中总是有正好一个在逆变器3运行中接通到共同的负载输出端11上。因此不同电池系统5a、5b、5c……的各种不同的充电状态不影响复合电池，除了逆变器3之外的功率电子元件是可有可无的。电驱动系统2或逆变器3在此根据本发明总是由正好一个被接通的能量存储器6供给。

根据本发明，在逆变器3运行期间，优选地在电动机组4不需要或者仅需要少量力矩的情况下，在第一与第二电池系统5a、5b、5c……之间进行切换。这是因为在切换期间不能可靠地提供力矩。例如在混合行驶期间，负载变换期间，换挡过程期间，在停车阶段，在电机或电机组4很小的扭矩需求的情况下进行电池系统5a、5b、5c……的断开和另外的电池系统5a、5b、5c……的接通。

在根据本发明的方法的变型方案中，尤其在用于驱动目的的逆变器3运行中设置，在断开电池系统5a、5b、5c……的第一电池系统，例如5a之前，在第一步骤中电池系统5a、5b、5c……的额外的或第三电池系统，例如5c与共同的负载输出端11并联接通，其中，第三电池系统5c在将电池系统5a、5b、5c……的第二电池系统，例如5b接通到共同的负载输出端11期间或之后被断开，其中，第三电池系统5c尤其借助其自身的预充电设备14被接通和断开。至少在第一和第二步骤的持续时间上第三电池系统5c在此与共同的负载输出端11接通。

为此设置：电池系统5a、5b、5c……的第三电池系统到并联电路或复合电池中的接入（该第三电池系统尤其具有以特殊的预充电电池形式的能量存储器6）在第一与第二电池系统之间进行切换、即第一电池系统与共同的负载输出端11断开而第二电池系统与共同的负载输出端11接通时，接在第一与第二电池系统之间，并且稳定借助中间电路电容器13形成的中间电路。因此在切换过程中在逆变器3上的功率下降（Leistungseinbruch）明显更小。第三预充电电池系统，例如5c具有例如相比于另外的电池系统5a、5b、5d……的另外的能量存储器6更小的能量含量的能量存储器6，但是具有尤其是更大的预充电电阻17。

在能量从逆变器3反馈到共同的负载输出端11中的情况下，或在回收利用以便给能量存储器6充电的情况下，在第一步骤中设置，将电池系统5a、5b、5c……的第一电池系统，例如5a，与共同的负载输出端11中断开，该电池系统的能量存储器6具有相比于另外的电池系统5b、5c、5d……的另外的能量存储器6的充电状态更高的充电状态。被断开的电池系统5a例如事先（例如为了驱动目的）基于其高的能量存储器充电状态接通到共同的负载输出端11。

在第二步骤中，电池系统5a、5b、5c……的第二或另外的电池系统，例如5b，在能量反馈的情况下接通到共同的负载输出端11，该电池系统的能量存储器6具有相对于被断开的电池系统5a的能量存储器6更低的充电状态。要接通的电池系统5a尤其分别又由控制装置19结合电池管理系统18选出，即依赖于能量存储器6的充电状态，并且尤其借助其预充电电路14来接通。被选出的电池系统5b尤其是其能量存储器6尤其具有相比于另外的电池系统最低的充电状态的电池系统。

在此根据本发明设置，将各自的电池系统5a、5b、5c……的能量存储器6按顺序充电或接通和断开，也就是说从具有最低充电状态的那个电池系统开始（尤其防止深度放电）并且以具有最高充电状态的电池系统结束。在此也再次设置，在每次断开之前和每次接通之后将各正好一个能量存储器6接到共同的负载输出端11。

如果回收利用的能量不够，那么例如在混合行驶期间通过负载点移动进行能量存储器6的充电。在插电式混合动力车辆中使用根据本发明的方法的情况下，能量存储器6，尤其电池单元的充电也在供电网中同样像之前描述的那样按顺序进行。

根据本发明设置，尽管有多个参与的电池系统5a、5b、5c……，但是在总线20上，尤其CAN总线上的总线负载却被保持很小。另外不需要的且与共同的负载输出端11中物理分离的能量存储器6在休眠状态下运行。在该休眠状态中各自的电池系统5a、5b、5c……以分派给其的ID送出仅一个被限制的信息资源，例如其当前的充电状态（SOC）和必要时状态信息如电压、温度、健康状况。“休眠的”能量存储器6或电池为了接通必须按照需要变换到常用的运行范围上，也就是说其必须在休眠模式中永久地监听总线20上的唤醒信号。

根据本发明设置，多次依次实施第一步骤和第二步骤，其中，第一步骤和第二步骤分别发生交替。在此在每次切换之后，总是有正好一个能量存储器6与共同的负载输出端11接通。满足需要地，适当的能量存储器6可以分别与逆变器3连接。

附图标记列表

1              设备

2              电驱动系统

3              逆变器

3a             逆变器的输入夹

4              电驱动机组

5a、5b、5c…… 电池系统

6              能量存储器

6a、6b         部分能量存储器

7              能量存储器的输出端

8              壳体

9              电池系统的负载输出端

10             电池系统的连接夹

11             共同的负载输出端

12             逆变器的输入端

13             中间电路电容器

14             预充电电路

14a            预充电电路的输出端

15             预充电接触器

16             主接触器

17             预充电电阻

18             电池管理系统

19             控制仪器

20             总线

Claims (13)

1.一种用于在电驱动系统（2）中，尤其是机动车的混合动力驱动系统中使用的设备（1），所述设备（1）具有至少一个布置在并联电路中的第一（5a）和第二（5b）电池系统（5a、5b、5c……），它们的负载输出端（9）汇合成共同的负载输出端（11），其中，每个电池系统（5a、5b、5c……）都具有能量存储器（6）和与之耦接的预充电电路（14），其中，借助所述预充电电路（14）的输出端（14a）分别形成所述电池系统（5a、5b、5c……）的负载输出端（9），其中，每个电池系统（5a、5b、5c……）的负载输出端（9）借助所述预充电电路（14）能分别与所述共同的负载输出端（11）接通和断开，其中，所述共同的负载输出端（11）尤其借助中间电路电容器（13）、立即与所述设备（1）的逆变器（3）的逆变器输入端（12）能量耦合。

2.根据权利要求1所述的设备（1），其特征在于，每个电池系统（5a、5b、5c……）的负载输出端（9）能分别借助所述电池系统（5a、5b、5c……）的电池管理系统（18）来接通或断开，其中，所述电池管理系统（18）尤其驱控所述预充电电路（14）和/或接触器（15、16）。

3.根据上述权利要求之一所述的设备（1），其特征在于，所述电池管理系统（18）与所述设备（1）的控制仪器（19），尤其是与混合控制仪器协同作用。

4.根据上述权利要求之一所述的设备（1），其特征在于，所述设备（1）被构造用以将所述至少第一（5a）和/或第二（5b）电池系统的负载输出端（9）交替地接到所述共同的负载输出端（11）上。

5.一种用于运行尤其在电驱动系统（2）中的根据上述权利要求之一所述的设备（1）的方法，其中，在第一步骤中，将所述电池系统（5a、5b、5c……）的第一电池系统，尤其依赖于其能量存储器（6）的充电状态，借助其预充电设备（14）与共同的负载输出端（11）断开，其中，在第二步骤中，将所述电池系统（5a、5b、5c……）的第二电池系统，尤其依赖于其能量存储器（6）的充电状态，借助其预充电设备（14）接通到共同的负载输出端（11）上。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述电池系统（5a、5b、5c……）的第一电池系统的断开和/或所述电池系统（5a、5b、5c……）的第二电池系统的接通在所述逆变器（3）运行期间进行。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，尤其在所述第一步骤之前和在所述第二步骤之后，多个电池系统（5a、5b、5c……）中总是有正好一个电池系统在逆变器（3）运行中接通到共同的负载输出端（11）上。

8.根据权利要求5至7之一所述的方法，其特征在于，在所述第二步骤中，电池系统（5a、5b、5c……）的接通借助被接通的电池系统（5a、5b、5c……）的预充电设备（14）在提升了逆变器输入端电压的情况下进行。

9.根据权利要求5至8之一所述的方法，其特征在于，在所述第二步骤中，如下电池系统（5b）被接通，其能量存储器（6）比在所述第一步骤中被断开的能量存储器（6）具有更高的充电水平。

10.根据权利要求5至9之一所述的方法，其特征在于，至少在所述第一步骤和所述第二步骤的持续时间上，将所述电池系统（5a、5b、5c……）的第三电池系统并联地接通到所述共同的负载输出端（11），尤其用于稳定所述逆变器输入端电压，其中，所述电池系统（5a、5b、5c……）的第三电池系统尤其借助其自身的预充电设备（14）被接通和断开。

11.根据权利要求5至10之一所述的方法，其特征在于，在发生从所述逆变器（3）到所述共同的负载输出端（11）的能量反馈以便对能量存储器（6）充电的情况下，在第一步骤中将如下电池系统（5a、5b、5c……）与共同的负载输出端（11）断开，其能量存储器（6）具有第一充电状态，而在第二步骤中将如下电池系统（5a、5b、5c……）接通到共同的负载输出端（11）上，其能量存储器（6）具有相对于被断开的电池系统（5a、5b、5c……）的能量存储器（6）更低的充电状态。

12.根据权利要求5至11之一所述的方法，其特征在于，在第二步骤中被接通的电池系统（5a、5b、5c……）依赖于其能量存储器（6）的充电状态从多个用于接通到所述共同的负载输出端（11）上的电池系统（5a、5b、5c……）中选出。

13.一种机动车，尤其是插电式混合动力机动车，其特征在于根据权利要求1至4之一所述的设备。

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