CN104010870B - 用于驱动直流电动机的蓄电池模块组 - Google Patents

用于驱动直流电动机的蓄电池模块组 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种蓄电池模块组(50)，其输出端(55)能够连接到直流电动机(54)的输入端上。该蓄电池模块组(50)包括多个串联连接的蓄电池模块(51、52、53)。每个蓄电池模块(51、52、53)包括至少一个蓄电池单池(41)，至少一个耦合单元(30、70)，第一连接端(42)和第二连接端(43)并且被构造用于，根据耦合单元(30、70)的控制占据至少两个开关状态中的一个，其中，不同的开关状态对应于该蓄电池模块(51、52、53)的第一连接端(42)和第二连接端(43)之间的不同电压值。

Description

用于驱动直流电动机的蓄电池模块组
技术领域
本发明涉及一种用于驱动直流电动机的蓄电池模块组以及一种具有根据本发明蓄电池模块组的蓄电池。
背景技术
在将来，不仅在静态应用中，而且在例如混合动力车辆和电动车辆的车辆中，都将更多地使用蓄电池系统。为了能够满足对于各种应用所给出的对电压和可提供的功率的要求，串联连接大量的蓄电池单池。因为由这种蓄电池所提供的电流必须流过所有的蓄电池单池并且一个蓄电池单池只能够传导有限的电流，所以经常并联连接额外的蓄电池单池，以便提高最大的电流。这能够要么通过在蓄电池单池壳体内设置多个单池线圈要么通过外部连接多个蓄电池单池来实现。但是，在此有问题的是，由于不完全一致的单池容量和单池电压能够导致在串联连接的蓄电池单池之间的平衡电流。
在图1中示出了常见的电驱动单元的原理电路图，其例如在电动或者混合动力车辆或者还在例如风力发电设备的转子叶片调节的静态应用中使用。蓄电池10连接到平衡电压中间电路上，该平衡电压中间电路由中间电路电容11缓冲。在该平衡电压中间电路上连接有脉冲逆变器12，其通过相应的两个可控的半导体阀和两个二极管在三个抽头点14-1、14-2、14-3上为电的驱动电动机13的运行提供相互相位偏移的正弦电流。该中间电路电容11的容量必须足够大，以使得在平衡电压中间电路中的电压在一段时间内保持稳定，在这段时间内可控的半导体阀中的一个被接通。在例如电动车辆的实际应用中产生mF范围内的高的容量。
在图1中示出的结构的缺陷是，在蓄电池10中最弱的蓄电池单池决定了其可到达的范围，并且单个的蓄电池单池的损坏就已导致整个车辆趴窝。此外在脉冲逆变器中的高的电压的调制导致高的开关损耗并且——因为由于高的电压一般必须应用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)开关——同样导致高的导通损耗。
此外的缺陷在于，在系统中包含的多个蓄电池单池或蓄电池模块被相同的电流流过并且因此是不可单个控制的。由此不存在对单个的蓄电池单池的不同状态施加影响的可能性。
此外根据现有技术中已知直流电机，其中涉及旋转的电机，其借助直流电流被驱动或者提供直流电流。按照能量流的方向被区分为直流电动机和直流发电动机。属于直流电动机的优点在于良好的启动特性和良好的可调节性。
发明内容
根据本发明提供一种蓄电池模块组，其输出端能够连接到直流电动机、尤其是直流电动机的输入端上。该蓄电池模块组包括多个串联连接的蓄电池模块。这些蓄电池模块中的每个包括至少一个蓄电池单池，至少一个耦合单元，第一连接端和一个第二连接端。在此每个蓄电池模块被构造用于，根据耦合单元的控制占据至少两个开关状态中的一个。在此不同的开关状态对应于在第一连接端和第二连接端之间的不同的电压值。这就是说，在不同的开关状态下在第一连接端和第二连接端之间施加不同的电压并且因此该不同的电压是可量取的。
多个串联连接的蓄电池模块能够具有不同的特性，其中，在该蓄电池模块组中要么能够被设置相同特性的蓄电池模块要么也能够设置不同特性的蓄电池模块的组合。
第一特性的蓄电池模块包括耦合单元，其被构造用于，根据第一控制信号使至少一个蓄电池单池在第一连接端和第二连接端之间以第一(在实施例中正的)极性接通并根据第二控制信号使第一连接端和第二连接端相连接。
第二特性的蓄电池模块类似于第一特性的蓄电池模块地构造，但区别在于，至少一个蓄电池单池能够在第一连接端和第二连接端之间以与第一极性相反设置(在该相同的实施例中负的)的极性接通。
第三特性的蓄电池模块具有三个可能的开关状态，其中，在三个开关状态的两个中至少一个蓄电池单池在第一连接端和第二连接端之间以可选择的极性接通，并且在另外一个开关状态中该蓄电池模块的第一连接端和第二连接端相连接。
在蓄电池模块组的内部该串联连接的蓄电池模块被如此连接，使得在该串联电路中高位的蓄电池模块的第二连接端与该串联电路中低位的蓄电池模块的第一连接端相连接。
一个或多个蓄电池模块能够是可脉冲宽度调制的。
本发明的另一方面涉及一种具有至少一个根据本发明蓄电池模块组的蓄电池。该蓄电池优选是一个锂-离子-蓄电池。该蓄电池能够另外包括被构造用于控制蓄电池模块的多个耦合单元的控制装置。
本发明的另一方面涉及一种具有至少一个直流电动机和根据本发明的蓄电池模块组的驱动单元，其中，该蓄电池模块组的输出端被连接到该直流电动机的输入端上。
此外提供一种机动车，其具有用于驱动机动车的直流电动机和与直流电动机连接的根据本发明的蓄电池模块组。
附图说明
根据附图和下文的描述进一步阐明本发明的实施例，其中相同的附图标记表示相同的或者功能相似的部件。其中：
图1示出了根据现有技术的电的驱动单元；
图2示出了在根据本发明的蓄电池模块组中可使用的耦合单元；
图3示出了耦合单元的第一实施方式；
图4示出了耦合单元的第二实施方式；
图5示出了在简单的半导体电路中的耦合单元的第二实施方式；
图6和7示出了在蓄电池模块中的耦合单元的两种结构；
图8示出了在图6中所示的结构中的在图5中所示的耦合单元；
图9示出了具有三个蓄电池模块组的电的驱动单元；
图10示出了在图9中示出的电的驱动单元通过控制装置的控制；
图11示出了耦合单元的一种实施方式，该耦合单元实现了在蓄电池模块的连接端之间施加具有可选择的极性的电压；
图12示出了具有在图11中所示的耦合单元的蓄电池模块的一种实施方式；
图13示出了根据本发明的第一实施方式的电的驱动单元；
图14示出了根据本发明的第二实施方式的电的驱动单元；以及
图15示出了根据本发明的第三实施方式的电的驱动单元。
具体实施方式
图2示出了可用于根据本发明的蓄电池模块组的耦合单元30。该耦合单元30含有两个输入端31和32以及一个输出端33并且被构造用于，将输入端31或32中的一个与输出端33连接而另一个则断开。此外在特定的实施方式中耦合单元30被构造为，两个输入端31、32均与输出端33分离。而不是规定，不仅将输入端31而且将输入端32与输出端33连接。
图3示出了耦合单元30的第一实施方式，该耦合单元30具有换接开关34，其原则上能够使两个输入端31、32中的仅仅一个与输出端33相连接，而另一个输入端31、32与输出端33断开。该换接开关34能够尤其简单地作为电动机的开关实现。
图4示出了耦合单元30的第二实施方式，其中设置了第一和第二开关35或者36。该多个开关中的每个均连接在输入端31或32中的一个和输出端33之间。与图3的实施方式相反该实施方式提供了以下优点，即两个输入端31、32也能够都与输出端33断开，使得输出端33变成高电阻的。再者，开关35、36能够简单地作为例如金属-氧化物-半导体-场效应晶体管(MOSFET)开关或者绝缘栅双极型晶体管(IGBT)开关的半导体开关实现。半导体开关具有有利的价格和高开关速度的优点，使得耦合单元30在短时间内能够对控制信号或者控制信号的变化做出反应并且高的切换率是可实现的。
图5示出了在简单的半导体电路中的耦合单元的第二实施方式，其中多个开关35、36中的每个分别由可打开和可关闭的半导体阀门和与之反向连接的二极管组成。
图6和图7示出了在蓄电池模块40中的耦合单元30的两个结构。多个蓄电池单池41串联连接在耦合单元30的输入端之间。但是本发明不限于这种蓄电池单池的串联电路，其也能够仅仅设置单个的蓄电池单池或多个蓄电池单池的并联电路或串联并联混合电路。在图6的示例中耦合单元30的输出端与第一连接端42连接而多个蓄电池单池41的负极与第二连接端43连接。然而如图7中的对称的结构是可能的，其中多个蓄电池单池41的正极与第一连接端42连接而耦合单元30的输出端与第二连接端43连接。
图8示出了在图6中所示的结构中的在图5中所示的耦合单元30。通过与未示出的控制装置连接的信号线44实现对耦合单元30的控制和诊断。总体来说这是可能的，在蓄电池模块40的多个连接端42和43之间要么调节到0伏要么调节到电压Umod。
图9示出了具有电的旋转电流电动机13的电的驱动单元，其三相与三个蓄电池模块组50-1、50-2、50-3相连接。这三个蓄电池模块组50-1、50-2、50-3中的每个均由多个串联连接的蓄电池模块40-1、...、40-n组成，该多个蓄电池模块分别包括耦合单元30并且如图6或图7所示地构建。在将多个蓄电池模块40-1、...、40-n组合成多个蓄电池模块组50-1、50-2、50-3中的一个时，蓄电池模块40-1、...、40-n的第一连接端42分别与相邻的蓄电池模块40-1、...、40-n的第二连接端43连接。通过这种方式能够在三个蓄电池模块组50-1、50-2、50-3的每个中均产生分级的输出电压。
在图10中示出的控制装置60被构造用于，在这三个蓄电池模块组50-1、50-2、50-3中通过数据总线61向数量可变的多个蓄电池模块40-1、...、40-n输出第一控制信号，通过该第一控制信号被这样控制的多个蓄电池模块40-1、...、40-n的多个耦合单元30将蓄电池单池(或者多个蓄电池单池)41连接在相应的蓄电池模块40-1、...、40-n的第一连接端42和第二连接端43之间。同时该控制装置60向其余的蓄电池模块40-1、...、40-n输出第二控制信号，通过该第二控制信号这些其余的蓄电池模块40-1、...、40-n的多个耦合单元30连接到相应的蓄电池模块40-1、...、40-n的第一连接端42和第二连接端43，从而跨接多个蓄电池单池41。
因此通过合理的控制在m个蓄电池模块组50-1、50-2、50-m中的多个蓄电池模块40-1、...、40-n能够产生m个正弦状的输出电压，其没有应用附加的脉冲逆变器地以期望的方式控制该电动机13。
在另一个实施方式中规定，在m个蓄电池模块组50-1、50-2、50-3中使用的蓄电池模块40-1、...、40-n被构造用于，在第一连接端42和第二连接端43之间如此连接其多个蓄电池单池41，使得施加在第一连接端42和第二连接端43之间的电压的极性根据对耦合单元的控制是可选择的。
图11示出了耦合单元70的一种实施方式，该耦合单元实现了这些并且其中设置有第一、第二、第三和第四开关75、76、77和78。第一开关75连接于第一输入端71和第一输出端73之间，第二开关76在第二输入端72和第二输出端74之间，第三开关77在第一输入端71和第二输出端74之间并且第四开关78连接于第二输入端72和第一输出端73之间。
图12示出了带有在图11中所示的耦合单元的蓄电池模块40的一种实施方式。耦合单元70的第一输出端与第一连接端42连接并且耦合单元70的第二输出端与蓄电池模块40的第二连接端43连接。被这样布置的蓄电池模块40具有如下优点，即多个蓄电池单池41能够通过耦合单元70以可选的极性与多个连接端42、43连接，从而能够产生符号不同的输出电压。这也能够是可能的，例如通过闭合开关76和78并且同时断开开关75和77(或者通过断开开关76和78以及闭合开关75和77)，使得连接端42和43相互导电地连接并且产生0V的输出电压。因此总体来说可能的是，在蓄电池模块40的连接端42和43之间要么调节到0伏特，要么调节到电压Umod或者要么调到电压-Umod。
在图9和10中示出的结构的缺点是，该多个蓄电池单池41承受交流负荷。典型地在一个蓄电池模块组受到负荷情况下另外的组的多个蓄电池单池也被加载。这种交流负荷对于该多个蓄电池单池的使用寿命能够带来负面影响。
因此根据本发明规定，将上面所描述的原理——通过三个由蓄电池模块组构成的相驱动交流电动机——转用到一相的情况下并应用于控制直流电动机。以这样的方式多个蓄电池单池的交流负荷就消除了，这样就有助于多个蓄电池单池使用寿命的增加。
图13示出了一种根据本发明的第一实施方式的电的驱动单元。该驱动单元包括直流电动机54，其输入被连接在蓄电池模块组50的输出端55上，其被构造为如图9和10示出的多个蓄电池模块组50-1、50-2、50-3中的一个。在该蓄电池模块组50中第一特性的多个蓄电池模块51-1、...、51-n串联连接。在此该蓄电池模块51-1、...、51-n对应于例如在图9和10中示出的多个蓄电池模块40-1、...、40-n，其中，在第一连接端42和第二连接端43之间能够可选择地采取电压值0或具有正极性的+Umod中的一个。第一特性的多个蓄电池模块51-1、...、51-n这样地彼此连接为串联电路，使得蓄电池模块的第一连接端42和在串联电路中相邻的(紧接着的)蓄电池模块的第二连接端43相连接。更准确地说在串联电路中与在该蓄电池模块组的输出端55处设置的蓄电池模块较近的第二连接端42和在串联电路中与在该蓄电池模块组的输出55处设置的蓄电池模块较远的第一连接端42相连接。第一特性的多个蓄电池模块51-1、...、51-n中的每个与它的相邻者或它的相邻者们以相同的方式连接。因此通过对多个蓄电池模块51-1、...、51-n的适当的控制就能够在该蓄电池模块组的输出端55上分级地调节在0和n Umod之间的电压，该电压驱动直流电动机54。直流电动机54在下面描述的多个示例中被设置为直流电动机。但根据本发明的构思也能够容易地被转用到直流发电动机的情况下。
现在直流电动机54的转数能够通过对多个蓄电池模块51-1、...、51-n的适当的控制来实现。在此多个蓄电池模块51-1、...、51-n中的至少一个还能够以脉冲宽度调制地运行，因此在蓄电池模块组的输出端55上施加的电压就能够被调节以期望的分辨率来调节。
图14示出了一种根据本发明的第二实施方式的电的驱动单元。在图14中示出的结构与在图13中示出的结构的区别在于，除了第一特性的n个蓄电池模块51-1、...、51-n以外还在蓄电池模块组50中另外配置了第二特性的m个蓄电池模块52-1、...、52-m。第二特性的多个蓄电池模块52-1、...、52-m类似于第一特性的多个蓄电池模块51-1、...、51-n地构造，但与其的区别在于，该至少一个蓄电池单池41关于第一连接端42和第二连接端43以相反的极性设置。因此在第二特性的蓄电池模块52-1、...、52-m的第一连接端42和第二连接端43之间能够分别采取为0的和具有负的极性的-Umod的电压值。现在通过对这些蓄电池模块51-1、...、51-n和52-1、...、52-m中的多个耦合元件的适当的控制能够在该蓄电池模块组的输出端55上调节在-m Umod和+n Umod之间的电压，从而该直流电动机54能够以不同的旋转方向被驱动。
图15示出了一种根据本发明的第三实施方式的电的驱动单元。除了第一特性的n个蓄电池模块51-1、...、51-n以外该蓄电池模块组50在此还包括第三特性的m个蓄电池模块53-1.....53-m。第三特性的蓄电池模块53-1、...、53-m中的每个如图12中示出的蓄电池模块40地构造并因此在它的输出端42和43之间分别提供-Umod、0或+Umod的电压值中的一个。因此通过对在多个蓄电池模块51-1、...、51-n中的多个耦合单元30和对在多个蓄电池模块53-1、...、53-m中的多个耦合单元70的适当的控制在该蓄电池模块组的输出端55上采取在-mUmod和+(m+n)Umod之间的电压。因此如在本发明的第二实施方式的情况该直流电动机54能够在两个旋转方向上被驱动。

Claims (10)

1.一种蓄电池模块组(50)，其特征在于，所述蓄电池模块组(50)的输出端(55)能够连接到直流电动机(54)的输入端上并且所述蓄电池模块组(50)包括多个串联连接的蓄电池模块(51、52、53)，其中，每个蓄电池模块(51、52、53)包括至少一个蓄电池单池(41)，至少一个耦合单元(30、70)，第一连接端(42)和第二连接端(43)并且被构造用于，根据所述耦合单元(30、70)的控制占据至少两个开关状态中的一个，其中，不同的开关状态对应于所述蓄电池模块(51、52、53)的所述第一连接端(42)和所述第二连接端(43)之间的不同的电压值，其中，所述蓄电池模块组(50)包括至少一个第一特性的蓄电池模块(51)和至少一个第二特性的蓄电池模块(52)，其中，所述第一特性的蓄电池模块(51)的至少一个蓄电池单池关于所述第一连接端和所述第二连接端以第一极性设置，并且其中，所述第二特性的蓄电池模块(52)的至少一个蓄电池单池关于所述第一连接端和所述第二连接端以与所述第一极性相反的极性设置。
2.根据权利要求1所述的蓄电池模块组(50)，其中，所述第一特性的蓄电池模块(51)包括耦合单元(30)，所述耦合单元被构造用于，根据第一控制信号使所述至少一个蓄电池单池(41)在所述第一连接端(42)和所述第二连接端(43)之间以第一极性接通并且根据第二控制信号使所述第一连接端(42)和所述第二连接端(43)相连接。
3.根据权利要求2所述的蓄电池模块组(50)，其中，所述第二特性的蓄电池模块(52)包括耦合单元(30)，所述耦合单元被构造用于，根据第一控制信号使所述至少一个蓄电池单池(41)在所述第一连接端(42)和所述第二连接端(43)之间以与第一极性相反设置的极性接通并且根据第二控制信号使所述第一连接端(42)和所述第二连接端(43)相连接。
4.根据上述权利要求中任一项所述的蓄电池模块组(50),其中， 所述蓄电池模块组(50)包括至少一个第三特性的蓄电池模块，其中，所述第三特性的蓄电池模块被构造用于，根据所述耦合单元(70)的控制可选地占据至少三个开关状态中的一个，其中，在第一开关状态中该蓄电池模块的所述第一连接端(42)和所述第二连接端(43)相连接，在第二开关状态中所述至少一个蓄电池单池(41)在所述第一连接端(42)和所述第二连接端(43)之间以第一极性接通并且在第三开关状态中所述至少一个蓄电池单池(41)在所述第一连接端(42)和所述第二连接端(43)之间以与第一极性相反设置的极性接通。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的蓄电池模块组(50),其中，在串联连接的多个蓄电池模块(51、52、53)的所有的相邻的配对中，在串联电路中与所述蓄电池模块组的所述输出端(55)较近设置的蓄电池模块(51、52、53)的所述第二连接端(43)和在所述串联连接中与所述蓄电池模块组的所述输出端(55)较远设置的蓄电池模块(51、52、53)的所述第一连接端(42)相连接。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的蓄电池模块组(50),其中，至少一个蓄电池模块(51、52、53)是可脉冲宽度调制的。
7.一种蓄电池(10)，其包括至少一个根据上述权利要求中任一项所述的蓄电池模块组(50)。
8.根据权利要求7所述的蓄电池(10)，其中，所述蓄电池(10)包括被构造用于控制多个耦合单元(30、70)的控制装置。
9.一种驱动单元，其包括至少一个直流电动机(54)以及至少一个根据权利要求1至6中任一项所述的蓄电池模块组(50)或者根据权利要求7或8所述的蓄电池(10)，其中，所述蓄电池模块组的所述输出端(55)被连接到所述直流电动机(54)的输入端上。
10.一种机动车，其具有根据权利要求9所述的驱动单元。
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