CN104604076A - 用于电池组的开关装置以及相应的开关方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于电池组（2）的一种开关装置（10），其具有：-控制装置（1）；以及-开关（S）；其中借助由该控制装置（1）操控的开关（S）能够可变地把该电池组（2）的电池单元（Z）相互连接，使得该电池组（2）的端子电压基本与电池单元（Z）的充电状态无关。

Description

用于电池组的开关装置以及相应的开关方法

技术领域

本发明涉及用于电池组的一种开关装置。本发明另外还涉及用于对电池组的电池单元进行连接的一种方法。

背景技术

当前，直流电压发生器上的电能存储器以蓄电池（可充电电池组）的形式以不同的电路拓扑连接到一起。

DE 21 2008 000 035 U1公开了一种高频逆变器，其用于把由至少一个太阳能模块所生成的直流电压通过至少一个输入DC/DC变换器、中间回路和输出DC/AC变换器而变换为交流电压，以给耗电器供电和/或馈入到供电网中。在此该输入DC/DC变换器与控制装置相连。

US 2004/0125618 A1公开了一种变流器系统，其把不同类型的电流源相互连接，并提供所定义类型的电能、例如供应给负载的标准电网电压。每个电流源都与负载相隔离，并且还相互隔离。每个电流源都与相应的输入变换器相连。

发明内容

本发明提供了用于电池组的一种开关装置，其具有：

-控制装置；以及

-开关；其中借助由该控制装置所操控的开关可以把电池组的电池单元可变地相互连接，使得电池组的端子电压基本与电池单元的充电状态无关。

另一方面，本发明还提供了用于把电池组的电池单元相连接的一种方法，其具有以下的步骤：

-确定电池单元的充电状态；以及

-借助开关把电池单元连接，使得电池组的端子电压基本与电池单元的充电状态无关。

优选的改进是从属权利要求的主题。

本发明的优点

本发明所基于的理念是，具有可充电电池单元的电池组的端子电压应该基本与电池单元的充电状态无关。通过根据本发明的对电池单元的连接，电池组可以更好地连接到直流电压发生器的逆变器上。电池组的恒定的端子电压尤其有利于逆变器的中间回路电压的恒定。从而电池组的逆变器可以有利地被功率优化地设计，例如可以使逆变器的电压波动幅度更小。从而可以有利地使直流电压发生器的逆变器损耗更小，并成本低廉地被制造。

该开关装置的一个有利的改进方案规定，为了确定充电状态而确定电池组的每个单独电池单元的电压。通过对电压的这种直接测量，可以有利地防止功率低的电池单元完全放电而不利地影响寿命。另外，通过把所有电池单元放电到最低充电状态，能够利用电池组的更大容量。

该开关装置的一个优选实施方式规定，具有至少一个电池单元的电池单元模块被相互连接。从而可以有利地采用一种简化的开关机制，因为电池单元模块的数量通常小于电池单元的数量。

该开关装置的一个有利的改进方案规定，可以借助开关把定义数量的电池单元相串联和/或相并联。从而能够有利地产生非常灵活的开关结构或电池单元的开关复合体，由此能够非常精细地调节电池组的对外有效的端子电压。

该开关装置的一个有利的改进方案规定，通过所述连接而把电池组的端子电压与直流电压发生器的逆变器的中间回路电压相匹配。从而该电池组与该逆变器的最佳工作范围相匹配，由此该电池组的电变换器必然有利地实现更小的电压波动幅度，并从而能够被设计得功率更低。

该开关装置的一个有利的实施方式规定，该开关装置设置在该电池组中。从而有利地提高了装备有本发明开关装置的电池组的应用多样性。

本发明方法的一个优选实施方式规定，对于电池单元的连接频率和/或电池单元的开关复合体的形成考虑每个单独的电池单元的充电状态。从而有利地使得电池单元相平衡。

该方法的一个优选实施方式规定，确定每个单独的电池单元的电压或者具有多个电池单元的电池单元模块的电压。从而一方面实施电池单元电压的直接测量，由此确定了各个电池单元的品质。替换地在具有多个电池单元的电池单元模块上实施模块测量，其中分别测量电池单元的开关复合体的电压。在此，通过形成模块电压的差可以推断各个电池单元的充电状态。

该方法的一个优选实施方式规定，在所述连接期间，电池单元被周期地从开关复合体中去除以及接入到开关复合体中。从而借助环式更换来支持电池单元的充电和放电的规律性，因为不会有电池单元在较长的时间段内被完全排除出充电/放电过程。这样有利于电池单元保持相同的充电状态，并从而延长电池单元的寿命。

该方法的一个优选实施方式规定，根据电池单元的充电状态来进行该电池单元从开关复合体中的去除。这有利地进一步降低了电池单元充电状态的分布不均。

该方法的一个有利的改进方案推荐，电池单元连接的变化频率与在该开关复合体内部电流的大小有关。从而有利地考虑了如下的情况，即电池单元的充电状态的变化与充电电流的电流强度有关。从而能够单独地考虑各个电池单元的充电状态。

该方法的一个有利的改进方案规定，总是把定义数量的电池单元保持从开关复合体中去除，其中被去除的电池单元被周期地更换。从而实现了分别把定义数量的电池单元设置于开关复合体中，由此与周期地更换被去除的电池单元相结合，有利地支持电池单元具有相同的充电状态。

该方法的一个优选实施方式规定，电池单元的充电/放电电流越大，那么就越快速地实施电池单元的周期更换。从而有利地考虑了如下的情况，即电池单元的不均衡很大程度上与电流强度相关。从而这样就可以反作用于电池单元的不均衡。

该方法的一个优选实施方式规定，该电池单元被连接为，使得开关复合体的电池单元包含有尽可能大数量的电池单元。从而有利地把最大数量的电池单元纳入到开关复合体中，由此使得最大数量的电池单元参与到充电/放电过程中。从而有利地支持电池单元具有相同的充电状态。

附图说明

本发明的其他特征和优点在下文中参照附图借助实施方式来加以解释。在此所述的或所示的所有特征都单独地或以任意组合而构成了本发明的主题，而与其在权利要求或对其引用中的概述无关，以及与其在说明或附图中的形式或显示无关。附图首先考虑的是阐明本发明的主要原理。附图中相同的符号表示相同或功能相同的元件。

其中：

图1a示出了按照当前技术的具有直流电压发生器和电池组的一种配置；

图1b示出了按照当前技术的具有直流电压发生器和电池组的另一种配置；

图2示出了根据本发明的一种开关装置的一个实施方式；

图3a示出了根据本发明的电池组的电池单元的开关复合体的一种配置；

图3b示出了根据本发明的电池组的电池单元的开关复合体的另一种配置；

图4示出了一种直流电压生成系统的一种配置，在该直流电压生成系统中使用了根据本发明的开关装置。

具体实施方式

图1a是一种常规系统的极其简化的原理图示，该系统具有直流电压发生器4和可再充电的电池组2。该直流电压发生器4例如可以作为具有多个板的光伏设备来构造，其中这些板生成直流电压并将该直流电压馈入逆变器5中来进行变换。该逆变器5内部具有DC/DC变换器5a（直流电压变换器）和AC/DC变换器5b（直流电压/交流电压变换器），其中在该DC/DC变换器5a与该AC/DC变换器5b之间设置有中间回路6。该逆变器5的输出电压馈入电网8（例如家庭的交流电网）和/或给耗电器供电。

另外在该系统中电池组2还设置有可再充电的电池单元（未示出），该电池组把直流电压馈入逆变器5，其中该逆变器5的输出电压同样馈入该电网8和/或给耗电器供电。该电池组2的逆变器5包含有双向（能在两个方向上流过电流）AC/DC变换器5b和DC/DC变换器5a，以调节该电池组2的瞬时所需的充电或放电电压。

在按照图1b的替换常规配置中，该电池组2通过DC/DC变换器5a直接与该直流电压发生器4的逆变器5的中间回路5相连。这样相对于图1a的配置就少需要一个变换器。

因为该电池组2的端子电压U_k按照电池组技术而与该电池组2的各个电池单元的充电状态密切相关，所以该DC/DC变换器5a在某些情况下必须实现高的电压波动幅度，以给该逆变器5的中间回路6提供所需的电压等级。从而为了能够在工作范围上对该电池组2的DC/DC变换器5a关于电路耗费和效率来进行优化设计，期望在该电池组2一侧具有尽可能恒定的输入和输出电压。

因此根据本发明而规定，提供一种开关装置或一种开关机制，其借助该电池组2电池单元的变化的、动态的连接来提供该电池组2的尽可能恒定的端子电压。

图2示出了根据本发明的开关装置的第一实施方式。该开关装置10包含有控制装置1（例如微控制器），其中借助该控制装置能够操控和操作多个开关S（例如电子开关）。借助该开关S和该控制装置1可以把电池单元Z可变地相互连接，使得该电池组2的端子电压U_k基本与电池单元Z的充电状态无关。

已知的是，可再充电电池组电池单元的电压与其当前的充电状态强烈相关。例如锂离子电池单元的电池单元电压在放电状态下约为2.5V，在充电状态下约为4.2V。从而多个连接的电池单元Z的总电压不利地与各个电池单元Z的充电状态高度相关。

为了反作用于这种情况，借助开关S来构造电池单元Z的一种开关结构或一种开关复合体7，并按照当前的需要来进行匹配，使得该电池组2的端子电压U_k尽可能恒定。为此而确定各个电池单元Z的充电状态。例如这可以借助确定装置（未示出）来进行，其中确定各个电池单元Z的电压或具有多个电池单元Z的电池单元模块3的电压。例如在图2中仅示例性示出了两个电池单元模块3。从而针对根据本发明的连接可以考虑每个单独的电池单元Z的单独充电状态。电池单元模块3在极端情况下可以由各个电池单元Z组成。另一极端情况是测量总电压并单单利用该信息来进行重新连接。

电池单元模块3以不同的方式被相互并联或串联，以从而使该电池组2的端子电压U_k尽可能接近该DC/DC变换器5a的最佳工作点，或保持于该DC/DC变换器5a的预定的、狭窄的电压界限内。对应于电池单元Z的在充电时上升或者在放电时下降的电压，全部连接都动态地进行。在此例如可以以亚秒、秒、分钟或小时时钟来开关。从而借助该开关S可以考虑近似无限数量的具有电池单元Z的可能的开关结构。例如可以把电池单元Z和/或电池单元模块3相串联和/或并联连接。通过借助开关S把电池单元Z跨接而使电池单元电压不被考虑用于总电压。在图2中仅示例地示出了具有多个串联连接的电池单元Z的支路的并联电路，其中Z₁₁定义第一列中的第一电池单元，Z₁₂定义第一列中的第二电池单元，以此类推。

为了实现各个电池单元Z的充电状态的一致性，优选地规定，把各个电池单元Z周期地分别从该开关复合体7中去除或接入到该开关复合体7中。这样就不会长时地有电池单元Z被排除出充电/放电。充电/放电电流越大，就优选地应该更快速地进行电池单元Z的周期更换，因为通过较大的电流可能更快速地出现电池单元Z的不平衡。优选地应该在开关复合体7中分别具有最大数量的电池单元Z，使得这样就有尽可能多的电池单元Z参与到充电/放电过程中，这便于使尽可能多的电池单元Z具有相同的充电状态。

借助图3a和3b的电池单元Z的两个原理性的开关复合体7，来原理性地解释开关的动态效应。为了更简化图示而未示出开关S。图3a示出了总共六个电池单元，它们在两个电池单元模块3中相连接，使得分别由三个串联连接的电池单元Z构成的两个支路相并联。单个的电池单元Z_mn以周期的间隔分别从该开关复合体7中去除并再次接入到该开关复合体7中。

图3b原理性地示出，由于在电池单元Z上充电状态的变化并从而电压上升，现在在一个开关步骤中该开关复合体7被如此改变，使得分别仅还两个电池单元Z相串联，其中在三个并联支路中分别设置有两个电池单元Z。一个电池单元Z_mn再次周期地从该开关复合体7中被去除，其中规定，在该开关复合体7中被去除的电池单元Z_mn被周期地更换，如此使得分别以周期的间隔把另一电池单元Z从该开关复合体7中去除。由此可以有利地实现电池单元Z的非常一致的充电状态。

在充电时，具有较高充电状态的电池单元Z有时被关闭，并通过这种方式接近于具有最高充电状态的其他电池单元Z。这同样也可以在放电时通过有时去除最少充电的电池单元Z来实现。

在附图中未示出的根据本发明连接的一个例子可以利用上百个电池单元Z来实施。在电压低时，分别由十个串联电池单元Z组成的十个支路被实施并联。随着电压上升，该开关复合体7变成分别具有九个串联连接的电池单元Z的十一个支路相并联，其中一个单独的电池单元Z分别被交替地去除。随着电压继续上升，分别由八个串联连接的电池单元Z组成的十二个支路被并联，其中交替地分别去除四个电池单元。最后分别由七个串联连接的电池单元组成的十四个支路被并联，其中交替地分别从该开关复合体7中去除两个电池单元Z。

因此人们认识到，这样利用不同的开关复合体7就可以实现该开关复合体7的基本恒定的总电压或该电池组2的基本恒定的端子电压U_k。通过周期地更换各个电池单元Z，避免了各个电池单元Z被不一致地充电/放电。从而实现了该电池组2的所有电池单元Z基本处于相同的电压等级，并从而基本保持于相同的充电状态。

如果电池单元Z被组合为电池模块3，并且电池单元模块3按照前述原则来加以连接，那么虽然在某些情况下不能实现与使用各个电池单元Z相同的电压恒定值。其原因是，每个电池单元模块3通过电池单元Z的连接而具有比各个电池单元Z更高的电压。但是这样可以显著降低开关S的数量。

图4示出了直流电压生成系统的原理总布置，在该直流电压生成系统中使用了本发明的开关装置10。人们认识到，多个串联连接的直流电压发生器4给逆变器5供电，其中该总布置可以按照支路被扩充以其他的直流电压发生器4。直流电压发生器4例如也可以替换地作为热力发电装置。

在一个可考虑的变化方案中也可以完全放弃电池组2的DC/DC变换器5a，从而该电池组2直接馈入到该逆变器5的中间回路6中。对于该电池组2直接耦合到该逆变器中间回路6的情况，从该DC/DC变换器5a的角度来看中间回路电压最好是恒定的。其应该对应于最大允许中间回路电压，该直流电压发生器的逆变器5的变换器5a、5b的功率半导体还可以可靠地主要使用该最大允许中间回路电压（例如对于600V半导体约为450V）。这样就可以在面板上来保证该直流电压发生器4的电压的最大变化，因为面板电压必定总是小于或等于中间回路电压。另外由此还可以有利地为该中间回路6节省昂贵的中间回路电容器。

为了保持该逆变器5的中间回路电压近似恒定，并尽管如此还使该电池组2的所有电池单元都一致地充电/放电，在该电池组2中的电池单元如前所述变化地并动态地被连接。定义数量的电池单元Z在放电状态下具有定义的总电压。该电压应该在该电池组2的充电/放电期间保持恒定。为此在充电期间越来越少的电池单元Z被串联。各个电池单元的电压在充电时上升，由此必须串联更少的电池单元，以保持该定义的电池组电压。相反在放电过程中，越来越多的电池单元Z被串联，直至在完全放电的状态下所有的电池单元Z再次串联，并从而达到定义的总电压。

在一个可考虑的替换方案中，可以由该控制装置1来操控该直流电压发生器4的DC/DC变换器5a，其方式例如是由该控制装置来指示该直流电压发生器4提供更高的中间回路电压，以从而给该电池组2充电。这样就可以在本发明的开关装置10与该直流电压发生器4的逆变器5之间实现有效的协作。

总之，利用本发明，通过可变地连接电池组的电池单元，而改善了电池组端子电压的恒定性。借助本发明可以有利地使该电池组的DC/DC变换器的所需输出电压保持于狭窄的电压范围中。这样本发明的开关装置就可以用于直流电压生成系统的有效节能改进，并从而提高电池单元的寿命。由于降低了对该电池组的DC/DC变换器的功率需求，该DC/DC变换器可以有利地使得损耗降低，并能够以更紧凑的构造形式来加以制造。借助本发明而有利地实现了使寿命延长的电池单元平衡（英语：cell balancing，所有电池单元达到相同的充电状态）。

虽然借助优选实施例来描述了本发明，但本发明并不局限于此。所述的开关结构尤其仅仅是示例的，并不局限于所解释的例子。本发明也可以应用于其他的电池组类型，例如铅蓄电池或镍-金属混合蓄电池。

从而在不脱离本发明核心的情况下，专业人员将适当地修改本发明的特征或将其相互组合。

Claims (15)

1.用于电池组（2）的开关装置（10），其具有：

-控制装置（1）；以及

-开关（S）；其中借助由该控制装置（1）操控的开关（S）能够可变地把该电池组（2）的电池单元（Z）相互连接，使得该电池组（2）的端子电压基本与电池单元（Z）的充电状态无关。

2.根据权利要求1所述的开关装置，其中为了确定充电状态而确定该电池组（2）的每个单独的电池单元（Z）的电压。

3.根据权利要求1或2所述的开关装置，其中具有至少一个电池单元（Z）的电池单元模块（3）被相互连接。

4.根据权利要求1至3之一所述的开关装置，其中借助该开关（S）能够把定义数量的电池单元（Z）串联和/或并联。

5.根据权利要求1至4之一所述的开关装置，其中通过所述连接把该电池组（2）的端子电压与直流电压发生器（4）的逆变器（5）的中间回路电压相匹配。

6.根据权利要求1至5之一所述的开关装置，其中该开关装置（10）设置在该电池组（2）中。

7.用于连接电池组（2）的电池单元（Z）的方法，其具有以下的步骤：

-确定电池单元（Z）的充电状态；以及

-借助开关（S）把该电池组（2）的电池单元（Z）连接，使得该电池组（2）的端子电压基本与电池单元（Z）的充电状态无关。

8.根据权利要求7所述的方法，其中针对电池单元（Z）连接的频率和/或电池单元（Z）的开关复合体（7）的形成来考虑每个单独的电池单元（Z）的充电状态。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其中确定每个单独的电池单元（Z）的电压或具有多个电池单元（Z）的电池单元模块（3）的电压。

10.根据权利要求7至9之一所述的方法，其中在所述连接期间把电池单元（Z）以周期的间隔从该开关复合体（7）中去除并接入到该开关复合体（7）中。

11.根据权利要求10所述的方法，其中根据电池单元（Z）的充电状态把电池单元（Z）从该开关复合体（7）中去除。

12.根据权利要求7至11之一所述的方法，其中电池单元（Z）的连接变化的频率取决于该开关复合体（7）中电流的大小。

13.根据权利要求9至12之一所述的方法，其中总是把定义数量的电池单元（Z）保持从该开关复合体（7）中去除，其中被去除的电池单元（Z）周期地更换。

14.根据权利要求13所述的方法，其中电池单元（Z）的充电/放电电流越大，那么就越快速地进行电池单元（Z）的周期更换。

15.根据权利要求7至14之一所述的方法，其中电池单元（Z）被连接为，使得该开关复合体（7）包含有尽可能大数量的电池单元（Z）。