CN104053571B - 机动车、蓄电池和用于控制蓄电池的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于控制蓄电池(300、400)的方法。所述蓄电池(300；400)包括数量为n的蓄电池模块组(302；404、406、408)，其中n为自然数并且大于等于二。所述蓄电池模块组(302；404、406、408)具有多个蓄电池模块(304、402)，其中，蓄电池模块(304、402)具有耦合单元。所述耦合单元作用为电压转换器并且将所述蓄电池模块(304、402)相互耦合。所述方法包括以下步骤：以预先确定的并且基本上恒定的总功率为连接至所述蓄电池(300；400)的负载(M)供能，其中，所述总功率相应于n个蓄电池模块组(302；404、406、408)的单个功率(P1、P2、P3)的总和，通过所述总功率、所述负载(M)并且通过确定在第n个蓄电池模块组(302；404、406、408)之上所施加的具有幅度和相位的组电压(up1、up2、up3)来调节n‑1个组电压(up1、up2、up3)，所述n‑1个组电压分别施加在n‑1个蓄电池模块组(302；404、406、408)之上，其中，所述n个单个功率(P1、P2、P3)中的至少两个是相互非对称的。此外描述了用于实施所述方法的蓄电池(300；400)和具有所述蓄电池(300；400)的机动车。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于控制蓄电池的方法。此外，本发明涉及一种蓄电池，其包括数量为n个的蓄电池模块组，其中，n为自然数并且大于等于二。该蓄电池模块组具有多个蓄电池模块，其中，蓄电池模块具有耦合单元。所述耦合单元作用为电压转换器并且将蓄电池模块相互耦合。所述蓄电池连接至负载并且以预先确定的并且基本上恒定的总功率来为其供能，该总功率相应于n个蓄电池组模块的n个单个功率的总和。此外，本发明涉及一种具有用于驱动机动车的电驱动电机的机动车，该电驱动电机与所述蓄电池相连接。
背景技术
在将来，无论是在静态的应用诸如风力发电设备以及诸如混合动力和电动车辆的车辆中将应用越来越多的蓄电池系统。为了能够满足针对相应的应用所给出的对于电压和可提供的功率的要求，通常将会串联连接更多的蓄电池单元。因为由这些蓄电池所提供的电流必须流经所有的蓄电池单元并且蓄电池单元仅能传导受限的电流，所以通常附加地并联连接蓄电池单元。
图1示出了已知的驱动系统100，如其在电动和混合动力车辆中所使用的那样。该驱动系统100包括电机M，该电机通过三个相L1、L2、L3(也称为导体或者外导体)连接至脉冲逆变器102。该脉冲逆变器102包括多个半导体开关元件并且其特征在于其将输入直流电压Ue转换为三相输出电压，该三相输出电压施加在三个相L1、L2、L3之间。该脉冲逆变器102之前连接有直流电压中间电路104，其首先将缓冲例如在该电机启动过程中短时所需要的能量尖峰。包括多个串联连接的蓄电池单元106的蓄电池108与该直流电压中间电路104通过充电和分离装置110相连接。该充电和分离装置110包括在该蓄电池108的正极和负极处包括开关元件，从而例如在故障状况下从其余的电路分离开来。
由DE 10 2011 075 376还公开了一种用于控制蓄电池200的方法。该蓄电池200如在图2中所示处的那样由蓄电池模块组202、204、206组成，它们分别包括多个相互耦合的蓄电池模块208。每个蓄电池模块208包括多个串联连接的蓄电池单元，这些蓄电池单元与耦合单元相连接。依据已知的方法，该耦合单元能够将蓄电池模块208以可选的极性相互耦合并且还起到脉冲逆变器的作用。在图2中所示处的蓄电池模块组202、204、206相应于三相并且以传统的方式以堆成的功率为电机M供能，也就是说为每相提供三分之一的总功率。在这样的传统的蓄电池系统之中，为此将需要在单个的蓄电池单元之间或者蓄电池模块之间的均一的充电状态，因为总功率取决于最弱的蓄电池模块。
发明内容
依据本发明给出了一种用于控制蓄电池的方法。所述蓄电池包括数量为n的蓄电池模块组，所述蓄电池模块组具有多个蓄电池模块，其中，蓄电池模块具有耦合单元，其中n为自然数并且大于等于二。所述耦合单元作用为电压转换器并且将所述蓄电池模块相互耦合
依据本发明的用于控制蓄电池的方法基本上包括以下步骤：
-以预先确定的并且基本上恒定的总功率为连接至所述蓄电池的负载供能，其中，所述总功率相应于所述n个蓄电池模块组的单个功率的总和；
-通过所述总功率、所述负载并且通过确定在第n个蓄电池模块组之上所施加的具有幅度和相位的组电压来调节n-1个组电压，所述n-1个组电压分别施加在n-1个蓄电池模块组之上，其中，所述n个单个功率中的至少两个是相互非对称的。
依据本发明，蓄电池被设置为实施依据本发明的方法。此外提出了一种机动车，其包括用于驱动所述机动车的电驱动电机，所述电驱动电机与所述蓄电池相连接。
本发明的优点
依据本发明的方法具有以下优点，即在单个的蓄电池模块故障时输出至负载的总功率尤其是有效功率能够保持恒定。此外，依据本发明的方法实现了为单个的蓄电池模块组充电，此时其他的蓄电池模块组在放电。因此，所述方法、所述蓄电池和所述机动车能够为更高的运行安全性和可靠性作出贡献。所述蓄电池的所述有效功率也能够得以改善，因为所述蓄电池模块组也能够非对称地输出其功率并且因此所述蓄电池的所输出的总功率能够不取决于功率最弱的蓄电池模块组。
依据另一个实施形式，蓄电池模块能够包括至少一个蓄电池单元，尤其是锂离子蓄电池单元，所述蓄电池单元与耦合单元相连接。优选地，所述蓄电池模块包括多个串联地或者并联地或者混合串并联地加以连接的锂离子蓄电池单元。基本上，多个此类的蓄电池模块的优点在于其冗余性，也就是说，一个蓄电池单元故障，那么仅涉及相应的蓄电池模块而不会涉及整个蓄电池。所述耦合单元能够在这种情况下例如通过由蓄电池管理单元实施的或者自行实施的控制关断并且由此桥接有缺陷的蓄电池单元或者相应的蓄电池模块。
依据另一个实施形式，所述n个蓄电池模块组的蓄电池模块能够分别串联连接。由此串联电路的所述蓄电池模块的输出电压能够叠加至一个更高的组电压。
依据另一个实施形式，所述方法实现了将n个蓄电池模块组的一个蓄电池模块组经由所述负载由其他的蓄电池模块组加以充电。特别地，一个或者多个其他的蓄电池模块组中的多个蓄电池模块组能够通过所述负载加以充电。
每个蓄电池模块的所述耦合单元包括尤其是多个半导体开关元件。所述耦合单元能够例如如此地加以构造，使得其可选地输出正的蓄电池模块电压和0伏特的电压。替代地，所述耦合单元能够如此地加以构造，使得其输出正的蓄电池模块电压、负的蓄电池模块电压和0伏特的电压。特别地，所述耦合单元其中能够由蓄电池管理单元加以控制，以便能够产生变化的脉冲宽度的离散的电压电势。所述耦合单元能够通过脉冲宽度调制将由所述蓄电池单元所提供的直流电压平均地转换为输出交流电压。所述耦合单元其中例如以所谓的斩波器运行和斩波地或者极化的方式来以高的频率来改进直流电压。
依据本发明的另一种实施形式，所述n个蓄电池模块组能够形成多相系统，其中，蓄电池模块组分别能够相应于一个相。也能够描述为外导体或者极导体的相能够为每个导电的部分，其在运行状态下置于电压之下并且不是中性导体。已知的多相系统通常为每相提供相同的功率并且因此提供对称的功率。依据本发明的方法、蓄电池和机动车与之相反地实现了在多个相上的不同的也就是说非对称的功率。
依据另一个实施形式，n等于三个蓄电池模块组能够形成三相系统，所述三相系统能够连接至构造为感应电机的负载。感应电机例如传统的电动机通常具有用于三相交流电的三个连接端。所述蓄电池尤其是形成三相系统，其中，其三个蓄电池模块组分别能够连接至此类的感应电机的三个连接端。依据本发明的方法和蓄电池能够由此以传统的感应电机实现有利的兼容性。
具有依据本发明的蓄电池的机动车的设计方案能够改善车辆驱动系统的可靠性并且即便在可能的蓄电池模块故障或者诸如此类的情况下还能带来更大的可大范围，因为所述蓄电池模块组能够非对称地加以放电。
附图说明
将借助于附图和后续的说明书来进一步阐述本发明的实施例。附图中：
图1示出了由现有技术已知的驱动系统；
图2示出了由现有技术已知的蓄电池；
图3示出了依据本发明的用于控制蓄电池的方法；
图4示出了依据本发明的蓄电池；
图5示出了具有已知的对称的电压的图示；
图6示出了具有已知的对称的电流的图示；
图7示出了具有已知的对称的输出电势的图示；
图8示出了具有已知的对称的功率的图示；
图9示出了具有依据本发明的非对称的输出电势的图示；以及
图10示出了具有依据本发明的非对称的功率的图示。
具体实施方式
在图3中示出了用于控制蓄电池300的方法。该蓄电池300包括三个蓄电池模块组302。这些蓄电池模块组302分别具有多个蓄电池模块304。
每个蓄电池模块组302能够被限定为也成为外导体或者极导体的相。因此，三个蓄电池模块组302形成了三相系统。每个蓄电池模块组302限定具有幅度和相位的一个组电压即交流电压以及单个功率。
蓄电池模块组302通过三个连接端导线与电机M连接，该电机M形成负载。用于控制蓄电池300的方法在此包括以下步骤。
以预先确定的并且基本上恒定的总功率为连接至蓄电池300的电机M供能。该总功率相应于蓄电池模块组302的三个单个功率的总和。
该方法的另一个步骤包括借助于预先给定的总功率、该电机的电行为并且确定施加在第三蓄电池模块组之上的具有幅度和相位的第三组电压来调节该三个组电压中的两个，这两个组电压分别施加在两个蓄电池模块组302之上。其中，该三个输出的单个功率相互是非对称的。
单个功率的非对称性补偿了三个相或者三个蓄电池模块组302中较弱的相，其组电压例如由于在该蓄电池模块304的蓄电池单元中的较低的充电状态而确定在较低的水平之上。第一和第二相补偿了第三相的较低的充电状态，其中，第一和第二相被放电并且使得能量经由电机M流入较弱的第三相之中，即该第三相被充电，如在图3中通过两个箭头306所示处的那样。这将提高了蓄电池300的安全性和可靠性。此外能够更好地利用蓄电池300的能量，因为其总功率并不取决于功率最弱的相。
图4示出了蓄电池400，其包括多个蓄电池模块402，其中，每四个串联连接的蓄电池模块402形成了三个蓄电池模块组404、406、408中的一个。每个蓄电池模块402包括一个耦合单元(未示出)，其起到逆变器的作用并且将蓄电池模块402相互耦合。每个耦合单元将锂离子蓄电池(未示出)的直流电压平均地转换为交流电压。该交流电压通过以脉冲宽度调制的方式的直流电压的交换来产生。产生输出电压水平相应于正的锂离子蓄电池单元电压的+Umod、0伏和相应于负的锂离子蓄电池单元电压的-Umod。
三个蓄电池模块组404、406、408形成三相系统。在两个蓄电池模块组404、406、408之间所施加的电压被限定为导体电压或者外导体电压uI1、uI2、uI3，如在图4中所示处的那样。每个蓄电池模块组提供一个组电流is1、is2或者is3。每个蓄电池模块组404、406、408的在四个串联连接的蓄电池模块402之上所施加的电压被限定为组电压或者输出电压电势up1、up2或者up3。
在图5至图8中示出了三相系统的传统的控制方法的输出量的图示，其中，针对该传统的示例将有效功率输出至负载。在图9和图10中示出了依据本发明的实施例的控制方法的输出量的图示。
在图5至图10所示出的图示的水平的x轴上分别标出了从0至360度的相位角。
图5示出了三个导体电压uI1、uI2、uI3的传统的曲线。该三个组电压是正弦形的并且具有相同的幅度并且分别具有相互将120度的相位移动，它们也是对称的。在图6中示出了三个组电流is1、is2、is3的曲线。这些组电流也是正弦形的并且具有相同的幅度并且分别具有120度的相位移动，它们也是对称的。在图7中的组电压或者输出电势up1、up2、up3以相同的已知的方式加以走向，也就是说分别具有相同的幅度和120度的相位移动。由此，传统的控制方法提供了正弦形的单个功率P1、P2、P3，它们分别具有120度的相位移动和相同的幅度，即单个功率也是对称的。单个功率之和P1+P2+P3形成了一个在负载上的恒定的总功率。
在图9和图10中示出了一种方法，在该方法中在此形成恒定的总功率P1+P2+P3。单个功率P1、P2、P3其中然而是非对称的。在图10中P1的值为总功率的10％，P2的值等于总功率的30％并且P3的值等于总功率的60％。借助于该方法，组电压或者输出电势up1、up2、up3能够得以调节。如在图7中所示出的那样它们不再仅具有恒定的幅度并且不具有对称的120度相位移动。
对于n相来说，所描述的方法能够相似地加以实施并且在下面一般性地加以描述。为了调节所期望的导体电压，需要n-1个自由调节的组电压，也就是说，一个组电压能够根据参数和相或者幅度和相位来任意地加以设置。借助于这两个自由度，在给定功率输出时能够自由地调节两个功率参数，其中，所述功率输出通过导体电压和连接其上的负载加以确定。因此，有效功率示例性地能够在两相中任意设置，例如任意的功率输出或者也能够为在两相中的功率吸收。如果组电压由功率的预先给定根据幅度和相位来确定，那么n-1个其余的相的组电压通过预先给定的导体电压加以确定。因此，通过给定的总功率来也能够确定其余的待调节的功率量。
Claims (10)
1.一种用于控制蓄电池(300、400)的方法，所述蓄电池包括数量为n个的蓄电池模块组(302；404、406、408)，所述蓄电池模块组具有多个蓄电池模块(304、402)，其中，所述蓄电池模块(304、402)具有耦合单元，所述耦合单元作用为电压转换器并且将所述蓄电池模块(304、402)相互耦合，并且其中，n为自然数并且大于等于二，其中，所述方法包括以下步骤：
-以预先确定的并且基本上恒定的总功率来为连接至所述蓄电池(300；400)的负载供能，其中，所述总功率相应于n个蓄电池模块组(302；404、406、408)的单个功率(P1、P2、P3)的总和；
-通过所述总功率、所述负载并且通过确定在第n个蓄电池模块组(302；404、406、408)之上所施加的具有幅度和相位的组电压(up1、up2、up3)来调节n-1个组电压(up1、up2、up3)，所述n-1个组电压分别施加在n-1个蓄电池模块组(302；404、406、408)之上，其中，所述n个单个功率(P1、P2、P3)中的至少两个是相互非对称的。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述n个蓄电池模块组(302；404、406、408)中的一个经由所述负载由其他的蓄电池模块组(302；404、406、408)来充电。
3.一种蓄电池(300、400)，其具有数量为n个的蓄电池模块组(302；404、406、408)，所述蓄电池模块组具有多个蓄电池模块(304、402)，其中，所述蓄电池模块(304、402)具有耦合单元，所述耦合单元作用为电压转换器并且将所述蓄电池模块(304、402)相互耦合，并且其中n为自然数并且大于等于二，并且其中，所述蓄电池(300；400)以预先确定的并且基本上恒定的总功率为连接的负载供能，所述总功率相应于n个蓄电池模块组(302；404、406、408)的n个单个功率的总和(P1、P2、P3)，其中，所述蓄电池(300；400)被设置为实施根据前述权利要求中任一项所述的方法。
4.根据权利要求3所述的蓄电池(300、400)，其中，所述耦合单元被如此地加以构造，使得能够选择性地输出正的蓄电池模块电压(+Umod)和0伏的电压，或者能够输出正的蓄电池模块电压(+Umod)、负的蓄电池模块电压(-Umod)和0伏的电压。
5.根据权利要求3或4所述的蓄电池(300、400)，其中，所述n个蓄电池模块组(302；404、406、408)形成多相系统，其中，蓄电池模块组(302；404、406、408)分别相应于一个相。
6.根据权利要求3所述的蓄电池(300、400)，其中，三个蓄电池模块组(302；404、406、408)形成一个三相系统，所述三相系统被连接至被构造为感应电机的负载。
7.根据权利要求3所述的蓄电池(300、400)，其中，所述蓄电池模块(304；402)包括至少一个蓄电池单元，其与所述耦合单元相连接。
8.根据权利要求7所述的蓄电池(300、400)，其中，所述至少一个蓄电池单元包括锂离子蓄电池单元。
9.根据权利要求3所述的蓄电池(300；400)，其中，所述n个蓄电池模块组(302；404、406、408)的所述蓄电池模块(304；402)分别串联连接。
10.一种机动车，其具有用于驱动所述机动车的电驱动电机和与所述电驱动电机相连接的根据权利要求3至9中任一项所述的蓄电池(300；400)。
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