CN104115363A - 可替换的能量存储装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有串联在供应支路中的存储模块（3）的能量存储装置（1），所述存储模块分别包括具有至少一个能量存储单池（5a、5k）的能量存储单池模块（5）和具有耦合元件（7a、7b、7c、7d）的耦合装置（7），所述耦合元件被设计用于将所述能量存储单池模块（5）选择性地接到所述供应支路中或跨接所述能量存储单池模块。所述能量存储单池或所述能量存储单池模块是可替换的。

Description

可替换的能量存储装置
技术领域
本发明涉及一种可替换的能量存储装置以及一种用于替换能量存储装置、特别是用于电运行车辆的具有模块化的电池系统的能量存储装置的方法。
背景技术
呈现出，将来在诸如风力发电设施或太阳能设施的静止应用中以及在诸如混合动力车辆或电动车辆的车辆中越来越多地使用电子系统，所述电子系统将新的能量存储技术与电驱动技术相组合。
多相电流到电机中的馈送通常通过脉冲逆变器形式的变换器来实现。对此，可以将由直流电压中间电路所提供的直流电压变换为多相交流电压、例如三相交流电压。直流电压中间电路在此由串联的电池模块构成的支路来馈电。为了可以满足针对相应的应用给出的对功率和能量的要求，经常在牵引电池中串联多个电池模块。
出版物DE 10 2010 027 857 A1和DE 10 2010 027 861 A1公开了能量存储装置中的模块化接线的电池单池，这些电池单池可以通过耦合单元的适当操控选择性地耦合到由串联的电池单池组成的支路中或从该支路去耦。这种类型的系统由名称Battery Direct Converter（电池直接转换器，BDC）而已知。这样的系统包括能量存储模块支路中的直流电流源，所述直流电流源可以连接到用于通过脉冲逆变器给电机或电网供应电能的直流电压中间电路上。
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池和所分配的可控制的耦合单元，该耦合单元允许根据控制信号跨接分别分配的至少一个电池单池或将分别分配的至少一个电池单池接到相应的能量存储模块支路中。可选地，耦合单元可以被形成为，使得该耦合单元附加地允许分别所分配的至少一个电池单池也以相反的极性被接到相应的能量存储模块支路中或也中断相应的能量存储模块支路。
BDC相对于常规的系统通常具有更高的效率和更高的失效安全性。失效安全性尤其通过以下来保证，即有缺陷的、已失效的或没有完全有功效的电池单池可以通过耦合单元的适当跨接操控从能量供应支路断开。能量存储模块支路的总输出电压可以通过耦合单元的相应的操控而变化并且尤其是可以分级地被调整。输出电压的分级在此由单个的能量存储模块的电压得出，其中最大可能的总输出电压通过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。
为了调整能量存储模块的输出电压，可以进行耦合单元的脉冲宽度调制（PWM）操控。由此可以通过接通或关断时间的有针对性的变化将所期望的平均值作为能量存储模块电压输出。
被构建在能量存储模块中的能量存储单池在功率、充电容量和/或输出电压上经受老化和磨损引起的退化，使得能量存储单池在一定的运行持续时间之后必须被替换。尤其是在电运行车辆中，这种替换可以显示出显著的成本因素。
出版物US 2011/0064981 A1公开了一种例如用于电动汽车的模块化的电池系统，其中区域状（fachartig）布置的耦合系统的各个电池单池在需要时可以被替换。
然而，对于BDC来说存在对替换部件的需求，这些替换部件在现有BDC的寿命结束之后可以无问题地并且灵活地匹配于现有的总系统。
发明内容
本发明根据一个方面提出一种能量存储装置，该能量存储装置具有多个串联在能量供应支路中的能量存储模块，这些能量存储模块分别包括具有至少一个能量存储单池的能量存储单池模块和具有耦合元件的耦合装置，这些耦合元件被设计用于将能量存储单池模块选择性地接到能量供应支路中或跨接所述能量存储单池模块。在此能量存储单池和/或能量存储单池模块被配置为可替换的。
根据另一方面，本发明提出一种系统部件，该系统部件具有根据本发明的能量存储装置和耦合电感，该耦合电感与能量存储装置的输出端子耦合。
根据另一方面，本发明提出一种系统，该系统具有根据本发明的可替换的系统部件、与可替换的系统部件的能量存储装置耦合的直流电压中间电路、与直流电压中间电路耦合并且由该直流电压中间电路来馈送输入电压的脉冲逆变器、与脉冲逆变器耦合并且由该脉冲逆变器供应相电压的电机、以及控制装置，该控制装置与耦合装置耦合并且被设计用于选择性地操控能量存储装置的耦合装置以便提供能量存储装置的总输出电压。
根据另一方面，本发明提出一种用于替换电系统的能量存储装置的方法，该方法具有以下步骤：从系统的直流电压中间电路去耦第一能量存储装置，该第一能量存储装置具有多个串联在能量供应支路中的能量存储模块，这些能量存储模块分别包括具有至少一个能量存储单池的能量存储单池模块和具有耦合元件的耦合装置，这些耦合元件被设计用于将能量存储单池模块选择性地接到能量供应支路中或跨接该能量存储单池模块；将第二能量存储装置连接到系统的直流电压中间电路上，该第二能量存储装置具有多个串联在能量供应支路中的能量存储模块，这些能量存储模块分别包括具有至少一个能量存储单池的能量存储单池模块和具有耦合元件的耦合装置，这些耦合元件被设计用于将能量存储单池模块选择性地接到能量供应支路中或跨接该能量存储单池模块；以及根据第二能量存储装置的能量存储单池和/或能量存储单池模块的运行参数操控第二能量存储装置的耦合装置的耦合元件。
本发明的优点
本发明的构思是，具有串联在一个或多个支路中的电池单池的模块化构造的能量存储装置作为备用部件来提供，该备用部件可以灵活地适配于要替换的能量存储装置的特性。为此该能量存储装置具有带多个能量存储单池的各个能量存储模块，这些能量存储单池可以通过连接到能量存储装置上的或集成到能量存储装置中的控制装置选择性地接线到支路中。在此控制装置可以对装入到能量存储装置中的能量存储单池的运行参数与对于整个系统重要的技术上的事实情况进行比较，并且通过能量存储模块的耦合装置的适当控制来仿真替换能量存储装置的相应的运行特性。
这有以下优点，即仅须维持作为备用品的可替换能量存储装置的如下构造方式，该构造方式可以灵活地被配置用于不同的应用。另一优点在于，利用可替换的能量存储装置可以使用分别当前的能量存储单池技术，而不存在以下风险，即当前的能量存储单池可能与较老的替换系统不兼容。
此外有利地可能的是，根据需要尽快生产能量存储单池。因为能量存储单池也“根据日历（kalendarisch）”老化、即随着时间流逝即使不使用存储容量也损失，所以利用根据本发明的能量存储装置不需要提前生产与该能量存储装置兼容的能量存储单池。代替于此，在该能量存储装置中可以通过灵活的方式分别尽快地将新生产的能量存储单池与该替换系统相匹配。
按照根据本发明的能量存储装置的一种实施方式，耦合装置可以被设计为，当能量存储装置不运行时对能量供应支路中的所有能量存储模块的能量存储单池模块进行跨接。
按照根据本发明的能量存储装置的另一种实施方式，耦合装置可以被设计为，当能量存储装置不运行时对能量供应支路中的所有能量存储模块的能量存储单池模块进行跨接。
按照根据本发明的能量存储装置的另一种实施方式，耦合装置可以具有功率MOSFET开关或IGBT开关。
按照根据本发明的方法的一种实施方式，该方法此外可以包括步骤：确定第一能量存储装置的能量存储单池模块和/或能量存储单池的运行参数，和根据第二能量存储装置的能量存储单池模块和/或能量存储单池的运行参数通过第二能量存储装置的耦合装置的耦合元件的相应操控来仿真所确定的运行参数。
本发明的实施方式的其它特征和优点由随后参考附图的说明得出。
附图说明
图1示出根据本发明的一种实施方式的具有可替换的能量存储装置的系统的示意图；
图2示出根据图1的能量存储装置的能量存储模块的一个实施例的示意图；
图3示出根据图1的能量存储装置的能量存储模块的另一个实施例的示意图；以及
图4示出根据本发明的另一种实施方式的用于替换系统中的能量存储装置的方法的示意图。
具体实施方式
图1示出用于将由能量存储模块3所提供的直流电压电压转换为n相交流电压的系统100。该系统100包括具有能量存储模块3的能量存储装置1，这些能量存储模块串联在能量供应支路中。该能量供应支路耦合在能量存储装置1的两个输出端子1a和1b之间，这两个输出端子分别耦合到直流电压中间电路2b上。示例性地，该系统100在图1中用于给三相电机6馈电。然而也可以规定，能量存储装置1被用于为能量供应网6产生电流。
为此能量存储装置1通过耦合电感2a与直流电压中间电路2b耦合。耦合电感2a例如可以是有针对性地连接在直流电压中间电路2b和能量存储装置1的输出端子1a之间的感应电抗器。替代地也可能的是，耦合电感2a通过无论如何都存在的寄生电感被形成在能量存储装置1和直流电压中间电路2b之间的接线中。
直流电压中间电路2b对脉冲逆变器4馈电，该脉冲逆变器4从直流电压中间电路2b的直流电压中为电机6提供三相交流电压。
系统100此外可以包括控制装置8，该控制装置与能量存储装置1连接，并且可以借助该控制装置来控制能量存储装置1，以便将能量存储装置1的所期望的总输出电压提供给相应的输出端子1a、1b。此外，该控制装置8可以被设计用于，在给能量存储装置1的能量存储单池充电时操控能量存储装置1的相应的耦合元件或有源开关元件。
能量存储装置1的能量供应支路具有至少两个串联的能量存储模块3。示例性地，能量存储模块3的数量在图1中是4个，但是其中能量存储模块3的每个其它的数量同样是可以的。能量存储模块3分别具有两个输出端子3a和3b，通过这两个输出端子可以提供能量存储模块3的模块输出电压。因为能量存储模块3最初是串联的，所以能量存储模块3的模块输出电压相加成总输出电压，该总输出电压被提供给能量存储装置1的输出端子1a、1b。
能量存储模块3的两个示例性的结构形式在图2和图3中更详细地被示出。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池5a到5k的能量存储单池模块5。
能量存储单池模块5在此例如可以具有串联的单池5a到5k、例如锂离子单池。在此能量存储单池5a到5k的数量在图2和图3中所示出的能量存储模块3中例如是两个，但是其中能量存储单池5a到5k的每个其它的数量同样是可能的。能量存储单池模块5具有端电压UM并且通过连接线与所属的耦合装置7的输入端子连接。因此电压UM施加在所属的耦合装置7的输入端上。
在图2中，串联的耦合元件7a和7c形成全桥的所谓的左分支，所述耦合元件的中间抽头与输出端3a连接，并且串联的耦合元件7b和7d形成全桥的所谓的右分支，所述耦合元件的中间抽头与输出端3b连接。耦合装置7在图2中被构造为具有各两个耦合元件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，这些MOSFET开关已经具有固有的二极管。
耦合元件7a、7b、7c、7d可以例如借助在图1中所示出的控制装置9被操控为，使得相应的能量存储单池模块5选择性地接到输出端子3a和3b之间或者将能量存储单池模块5跨接。参照图2，能量存储单池模块5例如可以通过以下方式以正向接到输出端子3a和3b之间，即耦合元件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的状态，而耦合元件7b和7c的两个其余的有源开关元件被置于打开的状态。在该情况下，电压UM施加在耦合装置7的输出端3a和3b之间。跨接状态例如可以通过以下方式来调整，即耦合元件7a和7b的两个有源开关元件被置于闭合的状态，而耦合元件7c和7d的两个有源开关元件被保持在打开的状态。第二跨接状态例如可以通过以下方式来调整，即耦合元件7c和7d的两个有源开关被置于闭合的状态，而耦合元件7a和7b的两个有源开关元件被保持在打开的状态。在两种跨接状态下，电压0施加在耦合装置7的两个输出端3a和3b之间。同样，能量存储单池模块5可以通过以下方式以反向被接到耦合装置7的输出端子3a和3b之间，即耦合元件7b和7c的有源开关元件被置于闭合的状态，而耦合元件7a和7d的有源开关元件被置于打开的状态。在该情况下，电压－UM施加在耦合装置7的两个输出端3a和3b之间。
因此通过耦合装置7的适当操控，能量存储模块3的各个能量存储单池模块5可以有针对性地被集成到能量供应支路的串联电路中。由此可以通过耦合装置7的有针对性的操控以选择性地将能量存储模块3的能量存储单池模块5接到能量供应支路中来提供总输出电压，该总输出电压取决于能量存储模块3的能量存储单池模块5的各个输出电压。总输出电压在此可以分别分级地来调整，其中级的数量随着能量存储模块3的数量来伸缩。在能量存储模块3的数量为n的情况下，能量供应支路的总输出电压可以在-n·UM，…，0，…，+n·UM之间分2n+1级来调整。
图3示出能量存储模块3的另一示例性的构型方式的示意图。在此耦合装置7只包括耦合元件7a和7c，所述耦合元件作为半桥电路可以将能量存储单池模块5或者以跨接状态或者以接通状态以正向接到能量供应支路中。此外，如结合图3针对在图3中所示的在全桥电路中的能量存储模块3所阐释的那样，有相似的操控规则适用。
图1中的能量存储装置1被配置为可替换的系统部件9。在此可替换的系统部件9例如也可以包括耦合电感2a。如果到目前为止的（老的）能量存储装置1由于老化、干扰和/或运行引起的效应不能再满足其功能，例如因为存储容量不再足够，那么可以将备用能量存储装置作为新的能量存储装置1放入到系统100中。为此，系统部件9整体被替换并且具有新的能量存储装置1的系统部件9被连接到直流电压中间电路2b上以及通过控制线8d被连接到控制装置8上。
替代地也可能的是，系统部件9具有控制装置8作为被集成到系统部件9中的控制装置8。同样地，也可能的是，耦合电感2a不是系统部件9的部分，而是被集成到系统100中的部件。
在能量存储装置1中，能量存储单池模块5或者替代地能量存储单池5a至5k本身可以是可替换的，即能量存储装置1仅具有带耦合装置7的能量存储模块3并且能量存储单池模块5或能量存储单池5a到5k在使用能量存储装置1时根据需要被放入或被安装到能量存储模块3中。这意味着，能量存储单池模块5或能量存储单池5a到5k不必提前被生产。由此总是可以动用当前的存储单池技术。此外，能量存储单池5a到5k可以在其确实被需要的时间点来生产，以便减小根据日历的老化的影响。
可以为能量存储装置1设置至少如此多的能量存储模块3，使得针对所有可能的应用，要替换的能量存储装置1的最小电压还可以通过使用所有的能量存储模块3来达到。对于替换系统的能量存储装置1的所需的总输出电压比能量存储装置1的最大可能的输出电压小的情况，可以在要接通的能量存储模块3中进行选择，以便能量存储装置1的总输出电压匹配于该替换系统。为了将负荷均匀地分配到能量存储模块3上，于是可以进行要接通的能量存储模块3的周期性的更换。
控制装置8可以确定能量存储装置1中所使用的能量存储单池模块5或能量存储单池5a到5k的类型和技术参数，以便明确相应的耦合装置7的对应操控策略。如果例如需要能量存储装置1的总输出电压，该总输出电压不能利用能量存储模块3的各个输出电压的分级来表示，那么控制装置3可以以脉冲宽度调制（PWM）运行来控制能量存储模块3中的一个或多个，使得通过各个能量存储模块3的周期性的接通或断开可以在时间平均上提供能量存储装置1的所期望的总输出电压。耦合电感2a在此可以帮助减少或抑制能量存储装置1和直流电压中间电路之间的电流波动。
为了给能量存储装置1或能量存储单池5a到5k充电，控制装置8可以减小能量存储装置1的电压，使得替换系统的所替换电池的最大电压不被超过。能量存储模块3在此可以通过周期性的更替方法在时间平均上均匀地被充电。
如果具有能量存储单池5a到5k的系统部件9被贮存、即没有被安装在系统100中，那么耦合装置7可以被调整为，使得能量存储单池5a到5k在能量供应支路中总是被跨接。由此能量储存装置1或系统部件9的可对外使用的总输出电压是零。最高的、在能量存储装置1内部中存在的电压在此是单个的能量存储模块3的输出电压。由此在由使用者操作系统部件9时，电击的风险降低。
如果能量存储模块3之一应该是有缺陷的或受干扰的，那么控制装置8可以在选择要在运行中接通的能量存储模块3时不再考虑该能量存储模块3。因此整个系统部件9的失效概率降低，因为即使在各个能量存储模块3有缺陷的情况下能量存储装置1整体上也保持可用。
图4示出用于替换能量存储装置、例如图1中的能量存储装置1的方法40的示意图。该方法40可以包括将第一能量存储装置从系统的直流电压中间电路去耦作为第一步骤41。第一能量存储装置在此可以是如在图1中所示出的能量存储装置1。接着可以在步骤42中将第二能量存储装置连接到系统的直流电压中间电路上。第二能量存储装置可以在拓扑上与第一能量存储装置完全一样地被构造。
然后在步骤43中可以根据第二能量存储装置的能量存储单池模块和/或能量存储单池的运行参数操控第二能量存储装置的耦合装置的耦合元件。在此可以考虑所安装的能量存储单池模块或能量存储单池的相应技术。
可选地，可以在步骤44中确定第一能量存储装置的能量存储单池模块和/或能量存储单池的运行参数。这些运行参数可以在可选的步骤45中通过以下方式通过第二能量存储装置的耦合装置的耦合元件的对应操控来仿真，即考虑第二能量存储装置的能量存储单池模块和/或能量存储单池的运行参数。由此可以将备用能量存储装置匹配于该替换系统，即使当新的能量存储单池模块和/或能量存储单池的类型和技术上的设计与要替换的能量存储单池模块和/或能量存储单池不一致时也是如此。
该方法40适用于为不同的应用提供备用能量存储装置，在这些应用中电池单池用于为电负载提供电能。例如该方法40可以被用于替换电运行车辆的电驱动系统中的能量存储装置。

Claims (7)

1.能量存储装置（1），具有：
多个串联在能量供应支路中的能量存储模块（3），所述能量存储模块分别包括：
能量存储单池模块（5），所述能量存储单池模块具有至少一个能量存储单池（5a、5k）；和
具有耦合元件（7a、7b；7c、7d）的耦合装置（7），所述耦合元件被设计用于将所述能量存储单池模块（5）选择性地接到所述能量供应支路中或跨接所述能量存储单池模块（5），
其中所述能量存储单池（5a、5k）和/或所述能量存储单池模块（5）被配置为可替换的。
2.根据权利要求1所述的能量存储装置（1），其中所述耦合装置（7）具有功率MOSFET开关或IGBT开关。
3.根据权利要求1和2之一所述的能量存储装置（1），其中所述耦合装置（7）被设计用于当所述能量存储装置（1）未运行时对所述能量供应支路中的所有能量存储模块（3）的能量存储单池模块（5）进行跨接。
4.系统部件（9），具有：
根据权利要求1至3之一所述的能量存储装置（1）；和
耦合电感（2a），所述耦合电感与所述能量存储装置（1）的输出端子（1a）耦合。
5.系统（100），具有：
根据权利要求4的可替换的系统部件（9）；
直流电压中间电路（2b），所述直流电压中间电路与可替换的系统部件（9）的能量存储装置（1）耦合；
脉冲逆变器（4），所述脉冲逆变器与所述直流电压中间电路（2b）耦合，并且所述脉冲逆变器由所述直流电压中间电路（2b）馈送输入电压；
电机（6），所述电机与所述脉冲逆变器（4）耦合，并且所述电机由所述脉冲逆变器（4）供应相电压；和
控制装置（8），所述控制装置与所述耦合装置（7）耦合，并且所述控制装置被设计用于选择性地控制所述能量存储装置（1）的耦合装置（7）以提供所述能量存储装置（1）的总输出电压。
6.用于替换电系统（100）的能量存储装置（1）的方法（40），具有以下步骤：
将具有多个串联在能量供应支路中的能量存储模块（3）的第一能量存储装置（1）从所述系统（100）的直流电压中间电路（2a）去耦（41），所述能量存储模块（3）分别包括：
能量存储单池模块（5），所述能量存储单池模块具有至少一个能量存储单池（5a、5k），和
具有耦合元件（7a、7b；7c、7d）的耦合装置（7），所述耦合元件被设计用于将所述能量存储单池模块（5）选择性地接到所述能量供应支路中或跨接所述能量存储单池模块（5）；
将具有多个串联在能量供应支路中的能量存储模块（3）的第二能量存储装置（1）连接（42）到所述系统（100）的直流电压中间电路（2a）上，所述能量存储模块（3）分别包括：
能量存储单池模块（5），所述能量存储单池模块具有至少一个能量存储单池（5a、5k），和
具有耦合元件（7a、7b；7c、7d）的耦合装置（7），所述耦合元件被设计用于将所述能量存储单池模块（5）选择性地接到所述能量供应支路中或跨接所述能量存储单池模块（5）；和
根据第二能量存储装置（1）的能量存储单池模块（5）和/或能量存储单池（5a、5k）的运行参数操控（43）第二能量存储装置（1）的耦合装置（7）的耦合元件（7a、7b；7c、7d）。
7.根据权利要求6所述的方法（70），此外具有以下步骤：
确定（44）第一能量存储装置（1）的能量存储单池模块（5）和/或能量存储单池（5a、5k）的运行参数；和
根据第二能量存储装置（1）的能量存储单池模块（5）和/或能量存储单池（5a、5k）的运行参数通过第二能量存储装置（1）的耦合装置（7）的耦合元件（7a、7b；7c、7d）的相应操控来仿真(45)所确定的运行参数。
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