CN103999345A - 能量存储装置、具有能量存储装置的系统和用于操控能量存储装置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于产生n相供应电压的能量存储装置（1），其中n≥1，具有n个并联的能量供应分支，所述能量供应分支分别与能量存储装置（1）的一个输出连接端（1a，1b，1c）耦合，其中能量供应分支中的每一个均具有大量串联的能量存储模块（3）。所述能量供应分支在此分别包括能量存储单元模块（5），所述能量存储单元模块具有至少一个能量存储单元（5a，5n），和具有第一耦合元件（7a，7b，7c，7d）的耦合装置（7），所述第一耦合元件被设计用于将能量存储单元模块（5）选择性地接入相应的能量供应分支中或者桥接所述能量存储单元模块（5）。在此，能量供应分支中的至少一个具有至少一个第二耦合元件（8），所述第二耦合元件分别耦合在在该至少一个能量供应分支中相邻的能量存储单元模块（5）的输出连接端之间，并且被设计用于将所耦合的能量存储单元模块（5）彼此并联地接入到相应的能量供应分支中。

Description

能量存储装置、具有能量存储装置的系统和用于操控能量存储装置的方法

技术领域

本发明涉及能量存储装置、具有能量存储装置的系统以及用于尤其是在用于对电机供电的电池直接逆变器电路中操控能量存储装置的方法。

背景技术

呈现出的是，未来不仅在诸如风力发电装置或太阳能设备的固定应用情况下而且在诸如混合动力车辆或电动车辆的车辆中越来越多地采用将新的能量存储工艺与电驱动技术相组合的电子系统。

将多相电流馈入电机中通常通过脉冲逆变器形式的逆变器实现。为此，可以将由直流电压中间电路提供的直流电压变换成多相交变电压，例如三相交变电压。直流电压中间电路在此被由串联互连的电池模块组成的支路馈电。为了能够满足针对相应的应用给定的对功率和能量的要求，在牵引电池中的多个电池模块经常串联。

多个电池模块的串联引起问题，即如果唯一的电池模块发生故障，则整个支路发生故障。能量供应支路的这种故障可能导致整个系统故障。此外，单个电池模块的暂时或永久出现的功率减小可能导致整个能量供应支路中的功率减小。

在出版物US 5,642,275 A1中描述了具有集成逆变器功能的电池系统。这种类型的系统以名称多电平级联逆变器（Multilevel Cascaded Inverter）或还有电池直接逆变器(Battery Direct Inverter)（BDI）公知。这样的系统包括多个能量存储模块支路中的直流电流源，这些直流电流源可以直接连接到电机或电网上。在此，可以生成单相或多相供应电压。能量存储模块支路在此具有多个串联的能量存储模块，其中每个能量存储模块具有至少一个电池单元和所分配的可控制的耦合单元，所述可控制的耦合单元允许根据控制信号中断相应的能量存储模块支路或者桥接分别所分配的至少一个电池单元或者分别将所分配的至少一个电池单元接入到相应的能量存储模块支路中。通过例如借助于脉宽调制适当地操控耦合单元，也可以提供适当的相信号来控制相输出电压，使得可以放弃单独的脉冲逆变器。为了控制相输出电压所需要的脉冲逆变器因此可以说被集成到BDI中。

BDI通常相对于传统系统具有更高的效率和更高的防故障安全性。防故障安全性尤其是通过以下方式来加以保证，即可以通过适当地桥接操控耦合单元从能量供应支路中断开有缺陷的、发生故障的或不是完全有效的电池单元。能量存储模块支路的相输出电压可以通过对应地操控耦合单元而被改变并且尤其是分级地被调整。输出电压的分级在此由单个能量存储模块的电压得出，其中最大可能的相输出电压由能量存储模块支路的所有能量存储模块的电压之和来确定。

发明内容

本发明根据一个方面提供一种用于产生n相供应电压的能量存储装置，其中n≥1，具有n个并联的能量供应分支，所述能量供应分支分别与能量存储装置的至少一个输出连接端耦合，其中能量供应分支中的每一个均具有大量串联的能量存储模块。能量供应分支在此分别包括能量存储单元模块，所述能量存储单元模块具有至少一个能量存储单元，并且包括具有第一耦合元件的耦合装置，所述第一耦合元件被设计用于将能量存储单元模块选择性地接入相应的能量供应分支中或者桥接所述能量存储单元模块。在此，能量供应分支中的至少一个具有至少一个第二耦合元件，所述第二耦合元件分别耦合在在该至少一个能量供应分支中相邻的能量存储单元模块的输出连接端之间，并且被设计用于将所耦合的能量存储单元模块彼此并联地接入到相应的能量供应分支中。

根据另一方面，本发明提供一种系统，具有：n个相线路，所述相线路可以分别与n相电机的n个相连接端之一耦合；本发明能量存储装置，其输出连接端分别与n个相线路之一耦合；以及控制装置，所述控制装置与能量存储装置耦合，并且被设计用于根据至少一个能量供应分支的能量存储单元模块的能量存储单元的电荷状态来操控至少一个第二耦合元件用于在相邻的能量存储模块之间实现电荷均衡。

根据另一方面，本发明提供一种用于操控本发明能量存储装置的方法，具有步骤：操控至少一个能量供应分支的第一能量存储模块的第一耦合元件以用于将第一能量存储模块的能量存储单元模块接入到该能量供应分支中，操控至少一个能量供应分支的第二能量存储模块的第一耦合元件以用于将与该第一能量存储模块相邻的第二能量存储模块的能量存储单元模块接入到该能量供应分支中，闭合第二耦合元件，所述第二耦合元件耦合在第一能量存储模块和第二能量存储模块之间，以及根据第一能量存储模块和第二能量存储模块的能量存储单元模块的电荷状态以脉宽调制的时钟运行方式来操控第一能量存储模块的第一耦合元件之一。

本发明优点

本发明的构思是，能够实现在能量存储装置的各个能量存储模块之间的改善的电荷均衡，其方式是相邻的能量存储模块经由在其相应的能量存储单元模块之间的输出连接端之间的附加耦合元件而被连接。通过适当地操控附加的耦合元件，能够不仅在能量存储装置运行期间而且在静止状态下实现在两个相邻能量存储模块的能量存储单元模块之间的电荷均衡。

该布置的显著优点在于，在运行中主动平衡是可能的，也就是说，可以在任何时候均衡模块的电荷状态出现的偏差并且例如不是仅在能量存储装置的充电过程中才能均衡。

有利地，通过并联连接能量存储模块可以使在能量供应分支中出现的电流对称，使得可以补偿并联路径的阻抗和电压差异。这同时意味着各个能量存储模块的有利的均匀的载荷。

在电路技术上的附加耗费有利地是小的。除此之外存在以下优点：可以将在平衡期间的损耗在运行中保持得小，因为对于电荷均衡不需要附加的电流设立（Stromaufbau）。

根据一种实施方式，能量存储装置可以具有半导体开关，例如MOSFET开关作为耦合元件。根据另一实施方式可以规定，耦合元件以全桥电路的方式来构成。在可替换的实施方式中，耦合元件可以以半桥电路的方式来构成。

根据另一实施方式，大量限制电流或电流变化的第一元件可以分别串联地与大量第二耦合元件之一耦合。这例如可以是电阻或电感，其限制可能的电流强度波动并且负责更均匀的运行。根据另一实施方式，在此情况下可以在至少一个能量供应分支的每两个相邻的能量存储模块之间分别耦合限制电流或电流变化的第二元件。

根据本发明系统的一种实施方式，控制装置可以被设计用于以脉宽调制的时钟运行方式操控大量第二耦合元件。由此可以通过适当地选择频率和脉冲宽度来灵活地调整流经第二耦合元件的总电流的分量。

根据本发明系统的一种实施方式，该系统此外可以具有n相电机，其中n≥1，所述n相电机具有n个相连接端，所述相连接端分别与n个相线路之一耦合。因此该系统良好地特别是适用于用在电运行的车辆中，诸如电动汽车或混合动力车辆。

根据本发明方法的一种实施方式，可以借助于两点调节器和根据第一能量存储模块和第二能量存储模块的能量存储单元模块的电荷状态的比例来操控第一耦合元件之一。该方法能够实现用于在电池直接逆变器中的电荷均衡的灵活方法，这种方法在运行电池直接逆变器期间已经可以被采用。

本发明的实施方式的其他特征和优点从参考附图的下面描述中得出。

附图说明

图1示出根据本发明一种实施方式的具有能量存储装置的系统的示意图；

图2示出根据本发明另一实施方式的能量存储装置的能量存储模块的示意图；

图3示出根据本发明另一实施方式的能量存储装置的能量存储模块的示意图；

图4示出根据本发明另一实施方式的能量存储装置的能量存储模块的示意图；

图5示出根据本发明另一实施方式的能量存储装置的能量存储模块的示意图；

图6示出根据本发明另一实施方式的能量存储装置的两个能量存储模块的操控状态的示意图；和

图7示出根据本发明的另一实施方式用于操控能量存储装置的方法的示意图。

具体实施方式

图1示出用于从通过能量存储模块3提供的直流电压到n相交变电压的电压转换的系统100。该系统100包括具有能量存储模块3的能量存储装置1，所述能量存储模块在能量供应分支中串联。示例性地在图1中示出三个能量供应分支，所述能量供应分支适用于例如对三相电机2产生三相交变电压。但是清楚的是，任何其他数目的能量供应分支同样可以是可能的。能量存储装置1在每个能量供应分支处具有输出连接端1a、1b、1c，这些输出连接端分别连接在相线路2a、2b或2c上。示例性地，图1中的系统100用于对三相电机2进行馈电。但是也可以规定，能量存储装置1被用于为能量供应网络2产生电流。在单相系统情况下可以规定，仅构造一个能量供应分支。该能量供应分支于是可以作为二端电路连接到电负载的供应输入端上。

系统100此外可以包括控制装置9，所述控制装置9与能量存储装置1连接，并且借助于所述控制装置可以控制能量存储装置1，用于在相应的输出连接端1a、1b、1c处提供期望的输出电压。

可以将能量供应分支在其端部与基准电势4（基准汇流排）连接，所述基准电势在所示的实施方式中相对于电机2的相线路2a、2b、2c引导平均电势。基准电势4例如可以是接地电势。能量供应分支中的每一个均具有至少两个串联的能量存储模块3。示例性地，每能量供应分支的能量存储模块3的数目在图1中为3，但是其中任何其他数目的能量存储模块3同样是可能的。优选地，在此能量供应分支中的每一个包括相同数目的能量存储模块3，但是其中也可能的是，对于每个能量供应分支设置不同数目的能量存储模块3。

能量存储模块3分别具有两个输出连接端3a和3b，通过所述输出连接端可以提供能量存储模块3的输出电压。因为能量存储模块3主要串联，所以能量存储模块3的输出电压总计成总输出电压，所述总输出电压可以在能量存储装置1的输出连接端1a、1b、1c中的相应的输出连接端处被提供。

能量存储模块3的示例性结构形式在图2至5中以更大量的细节示出。能量存储模块3在此分别包括具有多个耦合元件7a、7c以及必要时7b和7d的耦合装置7。能量存储模块3此外分别包括具有一个或多个串联的能量存储单元5a至5k的能量存储单元模块5。

能量存储单元模块5在此例如可以具有串联的电池5a至5k，例如锂离子电池。在此，在图2至5中所示的能量存储模块3中的能量存储单元5a至5k的数目示例性地为2，但是其中任何其他数目的能量存储单元5a至5k同样是可能的。在另外的实施方式中，能量存储单元5a至5k例如也可以包括光伏模块。

能量存储单元模块5经由连接线路与所属的耦合装置7的输入连接端连接。耦合装置7在图2和4中示例性地被构造为各具有两个耦合元件7a、7c和两个耦合元件7b、7d的全桥电路。耦合元件7a、7b、7c、7d在此分别可以具有有源开关元件（例如半导体开关）和与其并联的空转二极管。在此可以规定，耦合元件7a、7b、7c、7d被构造为MOSFET开关，其已经具有本征二极管。可替换地，可以分别仅构造两个耦合元件7a、7c，从而如在图3和5中示例性所示地实现半桥电路。

耦合元件7a、7b、7c、7d可以例如借助于在图1中所示的控制装置7被操控为使得相应的能量存储单元模块5选择性地被接在输出连接端3a和3b之间或者能量存储单元模块5被桥接。参照图2，能量存储单元模块5例如可以在前向方向上被接在输出连接端3a和3b之间，其方式是耦合元件7d的有源开关元件和耦合元件7a的有源开关元件被置于闭合状态，而耦合元件7b和7c的两个其余有源开关元件被置于断开状态。桥接状态例如可以通过以下方式加以调整，即耦合元件7a和7b的两个有源开关元件被置于闭合状态，而耦合元件7c和7d的两个有源开关元件被保持在断开状态。可以分别对于在图3至5中的桥电路作出类似考虑。

因此，通过适当地操控耦合装置7可以将能量存储模块3的各个能量存储单元模块5有针对性地集成到能量供应分支的串联电路中。

系统100的能量存储装置1此外具有第二耦合元件，所述第二耦合元件分别耦合在能量供应分支的两个相邻的能量存储模块3之间。在此，第二耦合元件8将能量存储模块3分别耦合在能量存储模块3的输出连接端3c之间。在此可能的是，一个能量供应分支的所有能量存储模块3彼此经由第二耦合元件8耦合。可替换地，也可以一个能量供应分支的仅一部分能量存储模块3彼此耦合。在图1中示例性地示出三个具有第二耦合元件8的能量供应分支中的两个。但是在此，在另外的实施方式中可能也可以构成具有第二耦合元件8的更多或更少的能量供应分支。

第二耦合元件8被设计用于将两个相邻能量存储模块3的能量存储单元模块5并联到相应的能量供应分支中。为此，第二耦合元件8可以分别包括有源开关元件（例如半导体开关）和与之并联的空转二极管。在一种实施方式中，第二耦合元件8可以分别具有带有本征二极管的MOSFET开关。

限制电流或电流变化的元件6a可以与第二耦合元件8串联。示例性地和出于一目了然性，在图1中仅仅示出了两个限制电流或电流变化的元件6a，其中第二耦合元件8中的每另一个耦合元件同样可以与这样的元件6a串联。此外，可以在各个能量存储模块3之间分别布置其他限制电流或电流变化的元件6b。元件6a、6b例如可以具有电阻或电感。也可能的是，通过相应各个能量存储模块3或第二耦合元件8与各个能量存储模块3的物理接线，连接线路拥有一个/多个内部或寄生电阻或电感，其足以充分地限制通过能量供应分支和具有第二耦合元件8的路径的电流变化。在该情况下不需要单独地设置限制电流或电流变化的元件6a、6b。

元件6a、6b可以用于限制相应线路上的电流强度波动、即所谓的“电流波纹”，其可能由于耦合元件7a、7b、7c、7d的高频操控形成。

如在图2至5中所示的，能量存储模块3的操控连接端3c可以分别与能量存储模块3的能量存储单元模块5的输出连接端连接。例如，输出连接端3c可以分别与能量存储单元模块5的电池单元5a至5k的负极经由输出连接端5m耦合，如示例性地在图2和3中所示。可替换地可能也可以经由输出连接端5p将输出连接端3c分别与能量存储单元模块5的电池单元5a至5k的正极耦合，如示例性地在图4和5中所示。

图6示出能量存储装置的两个能量存储模块3、3'（例如图1中的能量存储装置1的能量存储模块3）的示例性操控状态的示意图。能量存储模块3、3'在此可以根据在图2中所述的配置来加以构建，其中根据在图3至5中所示的实施方式之一的对应配置同样和类似地可能。

在图6中作为瞬时记录示出的操控状态与在图7中示意性示出的方法10结合地用于阐述用于操控能量存储装置、尤其是图1中的能量存储装置1的方法。在方法10的第一步骤11中，操控至少一个能量供应分支的第一能量存储模块3的第一耦合元件7a、7b、7c、7d以用于将第一能量存储模块3的能量存储单元模块5接入到该能量供应分支中。如在图6中示例性示出的，可以闭合耦合元件7a。如果在该方法的步骤12中操控至少一个能量供应分支的第二能量存储模块3'的第一耦合元件7a'、7b'、7c'、7d'以用于将与该第一能量存储模块3相邻的第二能量存储模块3'的能量存储单元模块5'接入到该能量供应分支中，并且在步骤13中闭合耦合在第一能量存储模块3和第二能量存储模块3'之间的第二耦合元件8，则第一能量存储模块3的能量存储单元模块5经由具有第二耦合元件8以及闭合的耦合元件7d'的路径接入到该能量供应分支中。

然后在该方法10的步骤14中，可以根据第一能量存储模块3和第二能量存储模块3'的能量存储单元模块5、5'的电荷状态以脉宽调制的时钟运行方式操控第一能量存储模块3的第一耦合元件之一（如在图6中示例性所示的第一耦合元件7b），可以以周期性间隔将第二能量存储单元模块5'经由耦合元件7b和耦合元件7d'与第一能量存储单元模块5并联地接入到该能量供应分支中。耦合元件7b为此例如可以由图1中的控制装置9以脉宽调制的时钟运行方式被操控，使得可以灵活地调整通过能量存储模块3'所承载的总电流分量。例如可以将脉冲宽度和/或时钟频率调整为使得该分量在总电流的0%与50%之间。

时钟运行例如可以通过两点调节器实现。优选地，脉宽调制的时钟运行可以被调整为使得流经能量存储单元模块5和5'的电流的比例具有预定的值，该预定的值例如可以与在能量存储单元模块5和5'中的能量存储单元的电荷状态有关。

以相同方式，对于能量存储模块3和3'的耦合元件7a、7b、7c、7d或7a'、7b'、7c'、7d'的其它电路状态可以分别以脉宽调制的时钟运行方式操控这些耦合元件之一，用以执行在能量存储单元模块5和5'之间的电荷均衡。

该方法10尤其是适用于在能量存储装置1的运行中被执行，也就是说，当能量存储装置1运行时被执行，用以产生n相输出电压。可替换地可能也可以经由对应地操控耦合元件7a、7b、7c、7d或7a'、7b'、7c'、7d'之一和同时闭合第二耦合元件8来执行在能量存储单元模块5和5'之间的电荷均衡，而无电流在该能量供应分支中流动。这例如可以在能量存储装置1的静止状态下进行。

Claims (11)

1.用于产生n相供应电压的能量存储装置（1），其中n≥1，具有：

n个并联的能量供应分支，所述能量供应分支分别与能量存储装置（1）的至少一个输出连接端（1a，1b，1c）耦合，其中能量供应分支中的每一个均具有大量串联的能量存储模块（3），所述能量供应分支分别包括：

-能量存储单元模块（5），所述能量存储单元模块具有至少一个能量存储单元（5a，5k），和

-具有第一耦合元件（7a，7b，7c，7d）的耦合装置（7），所述第一耦合元件被设计用于将能量存储单元模块（5）选择性地接入相应的能量供应分支中或者桥接所述能量存储单元模块（5）；以及

其中能量供应分支中的至少一个具有至少一个第二耦合元件（8），所述第二耦合元件分别耦合在在该至少一个能量供应分支中相邻的能量存储单元模块（5）的输出连接端（5m，5p）之间，并且被设计用于将所耦合的能量存储单元模块（5）彼此并联地接入到相应的能量供应分支中。

2.根据权利要求1所述的能量存储装置（1），其中耦合装置（9）包括全桥电路方式的耦合元件（7，8）。

3.根据权利要求1所述的能量存储装置（1），其中耦合装置（9）包括半桥电路方式的耦合元件（7，8）。

4.根据权利要求1至3之一所述的能量存储装置（1），其中至少一个限制电流或电流变化的第一元件（6a）串联地与至少一个第二耦合元件（8）耦合。

5.根据权利要求4所述的能量存储装置（1），其中在至少一个能量供应分支的每两个相邻能量存储模块（3）之间分别耦合限制电流或电流变化的第二元件（6b）。

6.根据权利要求5所述的能量存储装置（1），其中限制电流或电流变化的第一元件（6a）和限制电流或电流变化的第二元件（6b）是电感或欧姆电阻。

7.系统（100），具有：

n个相线路（2a，2b，2c），所述相线路能够分别与n相电机的n个相连接端之一耦合；

根据权利要求1至5之一所述的能量存储装置（1），其输出连接端（1a，1b，1c）分别与n个相线路（2a，2b，2c）之一耦合；以及

控制装置（9），所述控制装置与能量存储装置（1）耦合，并且被设计用于根据至少一个能量供应分支的能量存储单元模块（5）的能量存储单元（5a，5k）的电荷状态来操控至少一个第二耦合元件（8）以用于在相邻的能量存储模块（3）之间实现电荷均衡。

8.根据权利要求7所述的系统，其中控制装置（9）被设计用于以脉宽调制的时钟运行方式操控第二耦合元件（8）。

9.根据权利要求7和8之一所述的系统，此外具有：

n相电机（2），其中n≥1，所述n相电机具有n个相连接端，所述相连接端分别与n个相线路（2a，2b，2c）之一耦合。

10.用于操控根据权利要求1至6之一所述的能量存储装置（1）的方法（10），具有步骤：

操控（11）至少一个能量供应分支的第一能量存储模块（3）的第一耦合元件（7a，7b，7c，7d）以用于将第一能量存储模块（3）的能量存储单元模块（5）接入到该能量供应分支中；

操控（12）至少一个能量供应分支的第二能量存储模块（3'）的第一耦合元件（7a'，7b'，7c'，7d'）以用于将与该第一能量存储模块（3）相邻的第二能量存储模块（3'）的能量存储单元模块（5'）接入到该能量供应分支中；

闭合（13）耦合在第一能量存储模块（3）和第二能量存储模块（3'）之间的第二耦合元件（8）；以及

根据第一能量存储模块（3）和第二能量存储模块（3'）的能量存储单元模块（5,5'）的电荷状态以脉宽调制的时钟运行方式来操控（14）第一能量存储模块（3）的第一耦合元件（7b）之一。

11.根据权利要求10所述的方法（10），其中借助于两点调节器和根据第一能量存储模块（3）和第二能量存储模块（3'）的能量存储单元模块（5,5'）的电荷状态的比例来操控第一耦合元件(7b)之一。