CN103380021A - 用于电动马达驱动的方法和设备 - Google Patents

Abstract

用于特别地与电动车辆有关的电动马达驱动的方法和设备，其中，包括可充电电池的系统产生用于移动车辆的一个/多个电动马达的驱动电流。所述方法和设备的必要部分是，使用一个单电池单元电池、或彼此电分离的多个单电池单元电池，将其电压提高至可接受的工作电压水平。

Description

用于电动马达驱动的方法和设备

技术领域

本发明涉及用于电动马达驱动的方法和设备。具体地，虽然不仅仅是，主要是关于应用至车辆使用的电动马达驱动。

背景技术

在当前时间，电动车辆的发展非常活跃。此原因是认识到电动车辆的使用将解决涉及由内燃机提供动力（power）的车辆的排放气体的问题等。

已知所谓的混合动力车辆，其中存在电动马达和内燃机，两种马达的并行使用当被适当控制时，带来油耗的节省，并且通过此还减少废气的气候负担（loading）。然而，利用配备有所描述的种类的解决方案的车辆实现的节省相对小，并且不与设备的复杂度和随之的价格增加成比例。

然而，在车辆中对电驱动的更感兴趣的使用是仅存在电动马达驱动的车辆。然而，这些车辆的发展已经遭遇仍然不可能被满意地解决的问题。

一个问题是电池技术。在传统上使用的通常为锂离子（Li-ion）电池的电池种类中，存在串联或并联连接的数十、数百、或甚至数千个电池单元（cell）。存在大量不同的锂离子电池化学反应（chemistries），并且它们都赋予电池在能量密度、功率密度和安全性方面稍微不同的属性。然而，它们共同都具有如下事实：它们的储电能力显著优于老式铅酸电池，并且，使用相同重量的电池，可以实现多达三倍的行程范围（travel range）。

对于其部分，电池的重量是存储大量能量的电池的严重缺点。

然而，锂离子电池具有影响其可用性和价格水平的一些弱点。

*如果电池被完全放电、或者甚至在临界水平之下，则该电池被永久损坏，如果电池被完全放电而在高负载变为空、或者被重复地经常放电，则该电池可能被完全毁坏。

*如果电池被在过电压馈送电流（充电），则该电池将开始强烈地发热，并可能在极端情况下着火。当使用过充电流时，电池也将强烈地发热，在该情况下，将存在电池单元具有过电压然而仍然未满的危险。

*如果进行尝试以从电池获取比它能够供应的更多电流，则该电池将开始发热。一旦该电池已经发热到高于70-80℃，该电池就将开始损坏，并且，如果热度继续增加，则该电池将被不可恢复地毁坏。

*电池在非常窄的温度范围（+18℃-+40℃）上最佳地工作。如果温度下降至此以下，则该电池接受电流的能力将被减弱，而在该温度范围以上的温度将对电池的寿命具有不利影响。

电动车辆技术（尤其是马达）一般被设计为操作在350V-600V的电压，而在较小的车辆中，电气系统通常为72V或更高。因为单个电池单元的电压典型地为3.2V，所以必须按需要并联连接许多电池单元以实现所需电压。在电动车辆中，私家车的大小（这一般意味着大约100-150个电池单元的串联连接）通常具有40-90Ah的大小。最初意图用于膝上型计算机的、较小的所谓的铅笔大小的电池被广泛使用，例如，特斯拉（Tesla Roadster）电动运动跑车的电池组由6831个电池单元组成，所述电池单元既有并联也有串联连接，以便实现足够量的电压和能量。

完全明显的是，这样的蓄电池组在技术上和在机械上均是复杂的，并且组装是费力的。然而，真正的挑战是使这些串联连接的电池单元以彼此相同的方式表现。由于它们的制造技术，所有电池单元都是个体（individual），并且在负载情形中表现稍微不同、以及在容量上彼此稍微不同。所述差异是小的，但是，如果存在许多电池，并且它们被充电多次，则所述差异将增大。串联连接迫使电池单元在每个情形中释放相同量的电流，这导致充电水平（charging level）和温度的波动。即使可以制造具有相同属性的电池单元，在充电水平（charge level）上也将仍然几乎不可避免地引起波动，因为难以使得所有电池单位精确地为相同温度等。如果电池单元的温度存在差异，则当对所述电池单元放电和充电时，这将通过内部阻抗的变化、充电水平的变化来反映。最终，最弱的电池单元将开始被毁坏，因此，同时导致其余电池单元上的附加负荷，所述其余电池单元的寿命将相应地减小。另外，一旦最佳的电池单元充满，即使最弱的电池单元在那时仅被充了一半，也应当停止充电，这是因为，否则充满的电池单元将被损坏。类似地，当最弱的电池单元接近其临界界限（limit）时，即使在其它电池单元中可能留有大量能量，也应当停止放电。在几百个充电-放电周期之后，将仅剩余电池单元组的一半容量，并且一些电池单元将处于接近于需要替换的情况中。

为了克服这个问题，已经开发了电池管理电子装置（electronics），其一般称为缩写BMS（电池管理系统）。这应当尽可能准确地监控每个电池单元的电压、和尤其是充电水平、以及整个电路的电流。实际上不能以电池单元特定的方式限制供电。一旦第一个电池单元开始充满，就限制整个序列（series）的充电功率。唯一的电池单元特定的限制是通过将小电阻以电池单元特定的方式与最满电池单元串联而发生的。通过这种平衡而实现的效果是很少的，甚至是1瓦特。

在放电期间，BMS确保一旦最弱的电池单元已经用光其全部储能就停止放电。如果电池单元组在电动车辆中，车辆的行进（trip）在那停止。当然，在那发生之前，系统将已经使用其它电子装置警告驱动器。

充电水平的定义对BMS的功能性设置了挑战。不能通过简单地测量锂离子电池的电压来确定锂离子电池的充电水平，而是，必须借助于复杂算法而以电池单元特定的方式计算所述充电水平，所述复杂算法与其它运算一起需要用于每个电池单元的大量电子装置，并且，当然进一步增加了已经昂贵的电池单元组的成本多达45%。另外，在充电期间对充电水平的均衡或平衡消耗多余的能量，这是因为，到去往已经充满的电池单元的电流被转换为热，直到最弱的电池单元已经被充满为止。幸好，一般不需要针对每次充电都这样做，因为其不仅消耗电力，还消耗很多时间。对不平衡的电池单元组进行平衡可能甚至花费数月。在劣质的电池单元的情况下，在甚至一个周期之后所花费的时间可能为多至一周。

还开发了所谓的主动平衡系统，其甚至在放电期间也按照需要将能量从一个电池单元转移至另一个，因此允许更高效地使用整个电池单元组的能量含量（content），在充电期间也不浪费太多能量，这是因为，将多余的能量转移至其它电池单元而非释放为热。然而，这样的系统甚至比上述被动系统更昂贵和复杂。这样的系统确实正在开发，但仍未使用。根据正开发的B.O.M的一个版本，100个电池单元的电池管理系统将需要多至148000个电子组件。

电池的使用寿命对于客户非常重要，因为所述使用寿命不仅影响他们自己对汽车的使用，而且还影响该汽车的转售价值，这是因为，甚至在未来数年更换用坏的电池组都将是非常昂贵的。准确地说，正常电池组的使用寿命和工作可靠性主要由管理系统影响，管理系统有限的精度和可靠性使得目前为电动车辆或混合动力车辆的电池组给予保修（warranty）是非常具有挑战性的，因此，为了安全方，在理论周期耐久性和使用寿命下对保修进行了大量的计算。

目前工厂制造的电动汽车的电池组必须是大大超尺寸的，因为充电的持续时间和使用寿命也影响可用于每次放电的电池容量的百分比。在由数百个电池单元组成的电池组的情况下，完全不可能决定某个电池单元是否将比某个其它电池单元使用更多其容量，从而要确保界限确实被保持为安全的。终端用户从而支付了他们车辆中的大量自重，并且，制造商的生产成本甚至进一步升高。例如，在雪佛兰Volt插电式混合动力车中，最多使用50%的电池容量，雪佛兰Volt插电式混合动力车的销售在2010年年底在美国开始。结果，实际的能量密度下降至小于锂电池的标称密度的一半，从而将其置于与铅酸电池相同的类别中。

基于以上详细描述，容易得出如下结论，在电动车辆的情况下，存在大量问题，相当多的问题准确地涉及电池技术。

发明内容

因此，本发明意图创建一种方法和设备，借助于所述方法和设备，可以解决困扰现有技术的许多问题。

以具有从属权利要求中所述的典型特征的方式实现本发明的优点和益处。

附图说明

下面，参照所附示意图更详细地描述本发明，所附示意图示出：

图1示出根据现有技术的系统的示例；以及

图2示出根据本发明的系统图的一个示例。

具体实施方式

因此，图1示出目前使用中的电动汽车的电池布置的系统的一个示例。在此情况下，电池1包括72个独立的电池单元，它们由电子BMS设备以8个电池单元的序列方式控制，电子BMS设备力图管理上面在对现有技术的描述中提到的属性。假设电池单元电压为3.2V，则电池的输出电压将为约230V。

这样，所述系统包括传统的变压器、控制单元、以及单独的充电单元和类似的系统组件。

如所述的，问题精确地涉及电池组，其中存在由于非常多的电池单元而导致的结构上的困难点。对电池单元的控制也导致很大的问题，由于所述问题而导致电池总是处于被损害的危险中，同时，由于可靠性的原因，使用电池的全部容量的可能性也被排除。另外，这样的结构由于其电气和机械构造而导致高度复杂且易于非常不可靠。

与一般所相信的相反，现在已经惊奇地发现，可以使用仅包含单个电池单元的电池作为电动车辆的电源。简而言之，此实现事实上解决了到目前为止与多电池单元系统关联的所有问题。当然，从低电压得到这样大的功率带来挑战，但是挑战可以被解决。挑战主要涉及规模和优化，而不涉及许多模糊变量。

图2示出根据本发明的系统的粗略基本图。在图2中，用参考数字1标记单电池单元电池。借助于充电设备3对电池进行充电，例如从墙壁式插座向充电设备3馈送常规交流电。充电设备3将交流电转换为直流电用于充电。

将直流电从电池1通过转换器4馈送至马达5。转换器4将电压提高至期望水平，然后根据意图使用的马达的种类而将所述电压作为直流电或作为交流电而馈送至马达。

因为实质是关于车辆，特别是汽车，所以使用各种电子调节器或控制单元控制其多个功能。用参考数字6标记一个这样的单元。通过示例，将加速器7的操作连接至控制单元6。另一方面，使用参考数字8来标记从调节器6的输出，通过该输出，控制许多其它功能，诸如与车辆等的安全性有关的功能。

在图2中，用字母符号标记各个测量点和传感器。例如，如由参考字母I所示地测量电流，电压的测量相应地由参考字母U示出，并且用参考字母T标记温度传感器。与马达5有关的字母S表示速度传感器。显然的是，可存在许多其它测量点和传感器，但是，至少在这里逐项列出了最重要且肯定是必要的测量。

该系统意图主要为AC马达而构建。然而，在特殊应用中，该系统可以被转换用于DC操作。在此情况下，如在其它马达驱动中，通过调节电压（即电流）来调节马达的动力（即其扭矩）。通过控制频率来调节速度。此设备的特点是仅当需要时才增加电压。在车辆使用中，少于10%的时间需要满功率，在其它时间，平均约50%的功率是足够的。因此，如果电压从3.2伏特增加至100伏特以获得满功率，则仅需要增加至75伏特以获得50%的功率。这增加较低功率水平处的效率。在传统的AC马达驱动中，将电压从DC电压馈送至马达。

另一方面，系统还包括至少一个其它控制单元，在图中用参考数字9标记该至少一个其它控制单元。这个单元具体地与电池、以及电气系统的控制和调节有关，如箭头清楚地示出的。控制单元9从充电设备3以及电压转换器4和马达5接收测量数据。给出电池1的充电状态的数据非常重要。因为在电池中仅存在一个电池单元，所以关于其状态的信息非常明确，并且电池状态的控制因而是精确且容易的。

可以计算两个方向上的所有能量。因为仅存在一个电池单元，所以可以确定所有能量已经到了这一个电池单元。因此，可以精确地确定充电水平。

如在控制单元6的情况下，为了最多样的目的，也从控制单元9获得信息作为输出10。

通过使用单个大电池单元而非10个或100个小电池单元，可以避免目前限制技术的使用的相当大比例的问题。当使用单个电池单元时，根据其自己的容量和其它属性而精确地释放电流，并且不需要被迫使与多于100个其它电池单元精确地在相同时刻释放相同量。这延长了电池的寿命，增加了可用周期的数目，并允许对电池的整个容量的更有效利用。

除了大电池之外，还需要DC/DC或DC/AC转换器，其将电池的3.2V电压增加至90-120V的水平。仅按照需要增加电压，而并非始终增加至特定水平。如果使用较小的马达（例如，对于每个车轮使用一个较小的马达），则不需要将电压提高为高于此。较低的电压也允许在马达控制器中使用MOSFET晶体管，而非效率较低且更昂贵的IGBT晶体管，其另外还在使用中产生不愉快的高频噪声。系统还允许在使用现有电网充电和甚至快速充电中使用DC/DC转换器，而不需要单独的充电器。

该设备不能被直接用作充电器，但是其可以用于调节充电功率。然而，该设备对于充电侧需要整流器。现有电网是指EU标准，根据该EU标准，服务站应为充电器保留3～400VAC,64-A插座。此连接可用于直接对汽车充电，而不需要外部附加设备。

本发明所涉及的系统已经被设想为模块化的。示意图中的一个系统的连续输出为约20kW，并将允许使用约40kW的瞬间输出（对于一次最多约1分钟）。这样将对于电动叉车和L7e类四轮摩托车是足够的。通过使用两个系统，对于小汽车将获得运动性能，并且，使用四个将移动SUV、或者甚至跑车。每个变化可以使用相同的组件，这以批量生产的方式带来成本优势。系统通过信号彼此电通信，使得它们可以安装在相同或不同的轮轴上，而没有机械差速器和变速器的功率损耗。

当在车辆中使用两个或四个系统时，将存在多于一个电池单元，但是，本质方面是它们彼此没有电连接，使得它们像单个电池单元那样表现。可以通过使用电子控制单元的命令按需均衡负载来补偿电池单元的功率输出能力的小差异。另外，在工厂中为一个车辆选择四个电池单元以平衡它们的属性比选择多于一百个或一千个更容易。驱动轮之间的小功率变化将不影响车辆行驶性能（road-holding）。在传统的内燃机汽车中，差速器在行驶的同时连续地将扭矩从一个驱动轮改变至另一个。

对于一个电池单元实施用于车辆使用的温度控制以及壳体和附件比对于数百个较小的单元容易得多。使用特定技术，甚至可以在电池单元自身内部实施加热/冷却系统，在该情况下，温度控制将更有效。

根据本发明，通过提高容量而非串联连接来增加电池/电池组的能量。因此，随着电池单元的大小增大，电池单元的重量中的壳体和端子结构的相对份额减小。根据一个计算，电池单元大小从40Ah到7000Ah的增加表示能力密度相对于重量有65%的增加。

更容易预测电池的表现，使得可以对于行驶时间和充电周期给出接近真实性能的保修，由于所述系统所述真实性能也将更佳。因为更容易监控电池的充电状态，所以可以使用其容量的相当大的部分，并且，使用者将不需要随身携带多余压载（ballast），这对于其部分也将有助于减小能力消耗。

到现在为止，专用于车辆的电气技术已在非常小的程度上发展，并且，技术和其设计者两者大部分具有工业背景，并反映工业背景的操作环境和标准。在工业操作中，根据本发明传递与系统所需的电流量一样大的电流量并因此将低电压提高至这样的程度将是没有意义的，因为工业环境中的布线和其它实践将给出不经济的效率。在车辆使用中，通过将电压转换器直接放置在电池上、或者甚至将电压转换器内置到电池中，可以减少或者甚至完全消除在提高电压之前的实际布线，这是因为，电池将很可能在任何情况下被单独地、精确地设计以用于此用途。

如从以上将显然的，对本领域带来许多新的和创新的方面，借助于所述方面，可以使电动马达提供动力的车辆的可用性、控制和成本达到比到目前为止所知道的解决方案的水平明显更可接受的水平。

应理解，可以以许多方式适配本发明的。以上呈现的与电压、电流或功率有关的数值仅作为实际应用中示例性但可能的值而被给出。

Claims (15)

1.一种用于特别地与电动车辆有关的电动马达驱动的方法，其中，包括可充电电池的系统产生用于移动车辆的一个/多个电动马达的驱动电流，其特征在于，使用一个单电池单元电池，或者使用彼此电分离的多个单电池单元电池，其中将所述单电池单元电池的电压提高至可接受的工作电压水平。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述车辆配备有彼此电分离的两个单电池单元电气系统。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述车辆配备有彼此电分离的四个单电池单元电气系统。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过DC/DC或DC/AC转换器将约3.2V的电池电压提高至90-120V的水平用于马达驱动。

5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将用于提高电压的转换器（4）放置为紧邻所述电池（1）、或者甚至集成在所述电池中。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，至少两个电池单元彼此电分离，并用于每个马达。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，每个电池单元驱动多于一个马达。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，按照需要将所述电压仅提高至比期望水平低的工作水平。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过在没有中间电压电路的情况下直接提高馈送至所述马达的电压来调节所述马达的功率。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，通过调整所馈送的电压的频率来调节所述马达的速度。

11.一种用于特别地与电动车辆有关的电动马达驱动的设备，其中，包括可充电电池的系统产生用于移动车辆的一个/多个电动马达的工作电流，其特征在于，在所述设备中，存在一个单电池单元电池、或彼此电分离的多个单电池单元电池。

12.如权利要求11所述的设备，其特征在于，所述设备包括DC/DC或DC/AC转换器，用于将所述电池的电压提高至期望的工作电压水平。

13.如权利要求11所述的设备，其特征在于，所述设备包括彼此电分离的两个或四个单电池单元电气系统

14.如权利要求11所述的设备，其特征在于，将用于提高电压的转换器（4）放置为紧邻所述电池（1）、或者集成在所述电池中。

15.如权利要求11所述的设备，其特征在于，用于提高电压的转换器（4）直接连接至所述一个/多个马达。

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