CN104541402A - 具有至少一个基于半导体的分离装置的蓄电池 - Google Patents

具有至少一个基于半导体的分离装置的蓄电池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有至少一个蓄电池组(20)的蓄电池(11)，其中在蓄电池组(20)中设置能够串联连接的多个蓄电池模块(30)，多个蓄电池模块分别具有至少一个蓄电池单池，其中，蓄电池组(20)通过分配给蓄电池组(20)的至少一个分离装置(140)在分配给蓄电池组的多个蓄电池组端子(21、22)之间可接通或者从分配给蓄电池组的多个蓄电池组端子(21、22)可解耦，并且蓄电池(11)能够连接到电机。分离装置(140)被构造为双向的可关断的开关装置。其中，在分离装置中，半导体开关(150)被设置在蓄电池组电流的电流通路中，并且分离装置(140)被进一步构造用于通过接通半导体开关(150)来独立于蓄电池组的电流方向地接通通过蓄电池组(20)的电流。

Description

具有至少一个基于半导体的分离装置的蓄电池
技术领域
本发明涉及一种具有至少一个蓄电池组的蓄电池，其中在蓄电池组中设置能够串联连接的多个蓄电池模块，该多个蓄电池模块分别具有至少一个蓄电池单池，蓄电池组通过分配给蓄电池组(20)的至少一个分离装置(140)在分配给蓄电池组的多个蓄电池组端子(21、22)之间可接通或者从分配给蓄电池组的多个蓄电池组端子(21、22)可解耦，并且该蓄电池能够连接到负载，尤其是电机。此外，本发明涉及一种具有这种蓄电池的车辆。
背景技术
通常，用于混合动力车辆和电动车辆的蓄电池和被称为牵引蓄电池，因为其被用于供应电力驱动装置。例如在专利DE 10 2010 027856 A1和DE 10 2010 041 014 A1中公开了这种蓄电池。
在该申请人的之前的专利申请中，已经描述了具有阶梯可调的输出电压的多相的蓄电池系统。这样的蓄电池系统的方框图如图1所示。根据图1，蓄电池系统10包括蓄电池11，该蓄电池的多个蓄电池单池不是简单的串联连接，而是由多个蓄电池组20形成，其分别在正的蓄电池组极21(以下称为正的蓄电池组端子21)和负的蓄电池组极22(以下称为负的蓄电池组端子22)之间是可接通的。
在此，蓄电池11的多个蓄电池组20分别由具有多个串联和/或并联连接的蓄电池单池(未示出)的多个蓄电池模块30构造。这些模块30能够通过所谓的多个耦合单元(未示出)在相应的组20中被接通或桥接。该蓄电池系统11在三相的实施例中还被称为蓄电池直接逆变器(Batteriedirektinverter)。
为了通过带有中间电路电容器的直流电路将牵引驱动装置中的蓄电池直接变换器耦接到逆变器，通常还使用所谓的充电和分离装置40和第二分离装置50。
在多个蓄电池组20中分别设置的多个分离装置40、50用于多个蓄电池组20的电气隔离，并且从而与蓄电池10的相应的直流电压中间电路隔离。由现有技术已知，作为隔离元素保护装置使用。
由充电和分离装置40包括的充电装置(未单独示出)涉及用于充电相应的直流中间电路电容器的装置，通过直流中间电路电容器，该充电电流能够被限制在允许的值。由现有技术已知，为此使用由充电保护装置和预充电电阻组成的串联电路(未示出)。充电和分离装置40和第二分离装置50中通常使用的部件是比较大的、重的，并且具有高的故障率。所以当前，在起动蓄电池后使用的继电器和保护装置是车辆电子电路故障的第二常见的原因。
图2示出了图1示出的蓄电池10的每个蓄电池组20的输出电压UBS，其取决于连接到蓄电池10的相应蓄电池组20的蓄电池模块30的数量k。多个黑点(没有标记)代表各个测量点。在此，连接至每个蓄电池组20的蓄电池模块30分别具有相同的模块电压UM。根据蓄电池模块30的连接数量k表示的每个蓄电池组20的输出电压UBS是线性的，并且遵循关系UBS＝K*UM，其中1＜k＜n。在此，n是蓄电池模块30的最大数量，该些蓄电池模块30能够分别连接至蓄电池组20。每个蓄电池组20的最大的输出电压UBS能够根据值n*UM假定。
发明内容
根据本发明，提供一种具有至少一个蓄电池组的蓄电池，其中，在所述蓄电池组中设置能够串联连接的多个蓄电池模块，所述多个蓄电池模块分别具有至少一个蓄电池单池，其中所述蓄电池组被构造为通过分配给所述蓄电池组的至少一个分离装置在分配给所述蓄电池组的多个蓄电池组端子之间可接通或者从分配给所述蓄电池组的多个蓄电池组端子可解耦。并且其中，所述蓄电池能够连接到负载、尤其是电机，并且具有对应的连接装置或多个连接端。
根据本发明，所述分离装置包括至少一个双向可关断的开关装置，该开关装置优选地具有至少一个半导体开关。在所述分离装置中，半导体开关被设置在蓄电池组电流的电流通路中。此外，所述分离装置被进一步构造用于，通过接通半导体开关来独立于其电流方向地接通通过蓄电池组的电流。
因此，根据本发明提供优选地用于蓄电池直接逆变器的分离装置、尤其是充电和分离装置，在该蓄电池直接逆变器中代替机电部件地使用半导体开关。另外，为对应的直流电压电路的中间电路电容器的充电过程所使用的预充电电阻能够被省略。
根据本发明，通过现有技术已知的分离装置或充电和分离装置由更轻、更便宜以及首先更可靠的基于半导体的单元所代替。
在本发明的特殊实施例中，根据本发明的分离装置所包括的半导体开关被设置构造用于，在每个任意的时间点关断通过半导体开关向前流动的电流。
尤其是，根据本发明的分离装置所包括的半导体开关向后是仅限制性的可关断的或不可关断的。优选地，根据本发明所使用的半导体开关包括双极型晶体管，尤其是绝缘栅双极型晶体管或场效应晶体管，尤其是金属氧化物半导体场效应晶体管。
在本发明另一个非常有利的实施方式中，根据本发明的分离装置的开关装置所包括的半导体开关被分配给分离装置所包括的二极管桥。所述二极管桥与相关联的蓄电池组连接，并且此外还与相关联的半导体开关连接，由此使通过半导体开关的流动的电流一直向前地流过半导体开关，而不取决于相应的电流流过相关联的蓄电池组的方向。尤其地，半导体开关相关联的二极管桥被构造为由四个二极管组成的全桥。
在本发明的分离装置中能够使用功率半导体。基于半导体的功率开关能够通过控制导线在任意时间点非过零点地关断电流，向后不能够关断，根据特别的实施例尤其选择具有二极管桥的结构。由此能够以尤其简单的方式来实现，通过半导体开关的电流流动一直在向前方向上，而不管电流流过分离装置的方向。因此，能够使用普通的半导体开关作为开关，例如，普通的双极型晶体管、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
尤其地，设置在蓄电池组中的根据本发明的分离装置被如此设置，使其与正的或负的蓄电池组端子相连接。此外，根据本发明的分离装置还能够设置在其所分配的蓄电池组的任意两个蓄电池模块之间，并且分别与相邻的两个蓄电池模块直接连接。
换句话说，根据本发明的分离装置能够被集成到与其关联的蓄电池组。在此，根据本发明的分离装置能够例如直接定位在相应的蓄电池组的负极或正极。根据本发明的分离装置能够设置在相应的蓄电池组中的多个蓄电池模块之间的任意位置。
一种蓄电池系统，尤其是一种蓄电池直流逆变器，其包括具有多个蓄电池组的蓄电池，该些蓄电池组分别包括根据本发明的多个分离装置，能够通过根据本发明的分离装置独立于蓄电池系统的当前的电压位置以及独立于电机的当前的运行状态与直接连接的电机分离。由于使用的半导体开关和相关的二极管与保护装置相比可靠性高得多，因此根据本发明的分离装置能够实现具有相当高的可靠性的分离功能。此外，能够减小根据本发明的蓄电池系统或根据本发明的蓄电池的重量和体积。本发明的另一个优点是，根据本发明的蓄电池系统或根据本发明的蓄电池的接通或断开无噪声地实现。当前所使用的保护装置的开关噪声被认为非常扰人。
根据本发明的另一个优选的实施方式，分配给根据本发明的蓄电池的至少一个蓄电池组的至少一个分离装置还能够被构造为充电装置，其包括至少两个双向的开关装置。在此，两个双向的开关装置中的一个并联连接至串联电路，所述串联电路由所述两个双向的开关装置中的另一个以及预充电电阻组成。
尤其地，根据本发明的蓄电池的蓄电池组的蓄电池模块被构造为能够与蓄电池组接通和桥接，以用于产生所述蓄电池组的可调的输出电压。
优选地，根据本发明的蓄电池是锂离子蓄电池。
此外，提供根据本发明的具有电机的车辆，该车辆具有根据本发明的蓄电池。
在从属权利要求和说明书中描述本发明的有利的改进。
附图说明
参考附图和下面的描述更详细地说明本发明的多个实施例。在附图中：
图1示出了现有技术中已知的蓄电池系统，其包括具有三个蓄电池组的蓄电池，每个蓄电池组都包括分离和充电装置以及另一个分离装置；
图2示出了根据现有技术的图1中所示的蓄电池中的蓄电池组的输出电压根据连接到蓄电池组的蓄电池模块的数量的曲线；
图3示出了根据本发明第一实施例的具有蓄电池的蓄电池系统，该蓄电池具有三个蓄电池组，其中，多个蓄电池组分别包括根据本发明的分离装置；以及
图4示出了用于根据本发明的第一实施方式的蓄电池系统的蓄电池的分离装置的详细框图。
具体实施方式
在图3中示出了根据本发明的第一实施方式的具有蓄电池11的蓄电池系统10，该蓄电池11具有三个蓄电池组20的，在多个蓄电池组中分别设置根据本发明的分离装置140。多个蓄电池组20分别通过所分配的分离装置140在正的蓄电池组端子21和负的蓄电池组端子22之间是可接通的。在此，图3中示出的多个分离装置140分别被直接连接到正的蓄电池组极21。
每个蓄电池组20包括多个蓄电池模块30，其中，在图3中每个蓄电池组20只有两个蓄电池模块30被示出。在此每个蓄电池模块30包括至少一个蓄电池单池(在图中未分别示出)。蓄电池模块30能够通过所谓的多个耦合单元(未单独示出)串接或者桥接到相应的蓄电池组20。在三相的实施例中，这种蓄电池系统10被称为蓄电池直接逆变器。
根据本发明的多个分离装置140分别包括半导体开关150，并被设置用于，在任意给定的时间点切断以任意方向流过该些分离装置的电流。
在图4中示出了用于根据本发明的第一实施方式的蓄电池系统10的蓄电池11的分离装置140的详细框图。其中根据本发明的分离装置140实现为基于常见的半导体开关150的双向可关断的开关装置。所使用的半导体开关150能够通过控制导线在任意时刻非过零点地切断电流，并且向后不能够关断。因此，根据本发明的尤其是具有二极管桥160的结构，其被实现为由四个二极管161组成的全桥。由此实现了电流总是在向前的方向流过半导体开关150，无论流过分离器140的电流在哪个方向上。分离装置140通过相应的蓄电池组(未示出)连接到其多个连接端141、142。
根据本发明所使用的半导体开关150是向后不可关断的，并且能够分别用常见的双极型晶体管、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)来实现。

Claims (11)

1.蓄电池(11)，其具有至少一个蓄电池组(20)，其中，在所述蓄电池组(20)中设置能够串联连接的多个蓄电池模块(30)，所述多个蓄电池模块分别具有至少一个蓄电池单池，所述蓄电池组(20)被构造为通过分配给所述蓄电池组(20)的至少一个分离装置(140)在分配给所述蓄电池组的多个蓄电池组端子(21、22)之间可接通或者从分配给所述蓄电池组的多个蓄电池组端子(21、22)可解耦，其特征在于，所述分离装置(140)被构造为双向可关断的开关装置，其中，在所述分离装置(140)中，半导体开关(150)被设置在蓄电池组电流的电流通路中，并且所述分离装置(140)被进一步构造为，通过接通所述半导体开关(150)来独立于所述蓄电池组的电流方向地接通通过所述蓄电池组(20)的电流。
2.根据权利要求1所述的蓄电池(11)，其中，所述蓄电池(11)能够连接到负载，尤其是电机。
3.根据权利要求1或2所述的蓄电池(11)，其中，所述半导体开关(150)被构造用于，在每个任意的时间点关断通过所述半导体开关向前流动的电流。
4.根据权利要求1、2或3所述的蓄电池(11)，其中，所述半导体开关(150)向后是仅限制性的可关断的或不可关断的，并且尤其包括双极型晶体管、优选是绝缘栅双极型晶体管，或场效应晶体管，优选是金属氧化物半导体场效应晶体管。
5.根据前述任一项权利要求所述的蓄电池(11)，其中，由所述分离装置(140)所包括的二极管桥(160)被分配给所述半导体开关(150)，所述二极管桥(160)与所述蓄电池组(20)和所述半导体开关(150)如此地连接，以使得通过所述半导体开关(150)流动的电流一直向前地流过所述半导体开关(150)，而不取决于通过所述蓄电池组(20)的电流的方向。
6.根据前述任一项权利要求所述的蓄电池(11)，其中，所述二极管桥(160)被实现为由四个二极管(161)组成的全桥。
7.根据前述任一项权利要求所述的蓄电池(11)，其中，所述分离装置(140)设置在所述蓄电池组(20)的一端，以便所述分离装置(140)与正的蓄电池组端子(21)或者负的蓄电池组端子(22)相连接，或者以便所述分离装置(140)设置在所述蓄电池组(20)的任意两个蓄电池模块(30)之间并且分别与所相邻的两个蓄电池模块(30)直接连接。
8.根据前述任一项权利要求所述的蓄电池(11)，其中，所述分离装置(140)还被构造为充电装置，所述充电装置包括至少两个双向的开关装置，其中，所述两个双向的开关装置中的一个并联连接至串联电路，所述串联电路由所述两个双向的开关装置中的另一个以及预充电电阻连接形成。
9.根据前述任一项权利要求所述的蓄电池(11)，其中，所述蓄电池(11)还被如此地构造，以使得所述蓄电池组(20)的多个蓄电池模块(30)被构造为能够与所述蓄电池组(20)接通和重新桥接，以用于产生所述蓄电池组(20)的可调的输出电压。
10.根据前述任一项权利要求所述的蓄电池(11)，其中，所述蓄电池(11)是锂离子蓄电池。
11.机动车，其具有根据前述任一项权利要求所述的蓄电池(11)，其中，所述蓄电池(11)与电机相连接。
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