CN105322609B - 用于提供电压的装置以及驱动布置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于提供电压的装置(2)，具有电池系统(10)，其包括由提供第一电池子模块电压(UM)的第一电池子模块(13)和提供至少一个第二电池子模块电压(UM′)的至少一个第二电池子模块(13′)构成的串联电路；和将第一电池子模块电压(UM)转换成输出电压的第一电压转换模块(20)，输出电压能够被供给能连接到第一电压转换模块(20)的电组件(30)，其中装置(2)具有耦合装置(T3)，其设计用于将第一电压转换模块(20)与第一电池子模块(13)和至少一个第二电池子模块(13′)电连接，使得在第一电压转换模块(20)处施加了由第一电池子模块电压(UM)和至少一个第二电池子模块电压(UM′)构成的总电压。

Description

用于提供电压的装置以及驱动布置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于提供电压的装置，具有电池系统，该电池系统包括由用于提供第一电池子模块电压的第一电池子模块和用于提供第二电池子模块电压的第二电池子模块构成的串联电路；并且具有用于将第一电池子模块电压转换成输出电压的第一电压转换模块，输出电压能够被供给能连接到电压转换模块的电组件。本发明还涉及一种驱动布置以及方法。
背景技术
用于提供电压的装置通常包括蓄电器，其例如能够设计成电池系统。这种类型的电池系统能够用于为耗电设备、例如电机供电。这样的电机例如能够布置在机动车中并且用于驱动机动车。但是蓄电器也能够用作电能的中间存储器。在此，在发电机运行中，电能由电机提供并且中间存储在蓄电器中。这样的蓄电器例如由风力发电设备所公知。
在电池系统处能够连接一个或者多个耗电设备，其由电池系统供应电能。因为由电池系统提供的电压不是同样地适用于所有的耗电设备，所以来自电池系统的电能通常通过一个或者多个电压转换器传输到一个或者多个耗电设备处。
将来自输出直流电压的功率源的电功率传输给至少两个串联的子模块的这种电路布置由EP 2 608 397 A1所公知。
附加地，在图1中示出了根据现有技术的这种电路布置。在此，具有内电阻RI的电池系统10通过具有寄生电感LI的供电线路与在电压转换模块20处的串联电路电连接。在电压转换模块20的每一个处都分别连接有耗电设备或者电组件30。
电池系统10提供了电池系统电压US，其通过电感L提供给电压转换模块20。电池系统电压US如下地分配到电压转换模块20上，即在电压转换模块20的每一个处都下降了电池系统电压US的子电压UT。相应的子电压UT与连接的电压转换模块20的数量相关并且通过电压转换模块20的该数量进行缩放。在电压转换模块20处下降的子电压UT借助电压转换模块20转换成适用于电组件30的电压。
电压转换模块20中的每个通常都包括一个升压变流器22。这样的升压变流器22在图2中示出。升压变流器22通常包括两个开关件S1和S2，其能够设计为半导体开关；以及包括充电电容器C和扼流线圈L，其也称为充电扼流器。升压变流器22设计用于将在电压转换模块20处下降的子电压UT在需要时转换成输出直流电压UA，其值大于子电压UT的值。
由根据图1的电路布置并且进而根据现有技术得出这样的缺点，即每个电压转换模块20的功率输出必须近乎相同。为此，彼此串联地电耦合的电压转换模块20以及还有其负载30通常一致地实施。尤其是不能为连接到电压转换模块20处的电组件30提供灵活的功率。灵活的功率应理解为例如对于预设的时间段来说在电压转换模块的一个或多个处施加有提高了的电压。
另外的缺点由此得出，即电压转换模块20的升压变流器22设计用于峰值功率并且因此对于多数的运行时间点来说都是超规格的。超规格需要较大的部件，其多数在剩余的运行时间点中还具有较差的效率。此外，多数情况下，所有的升压变流器22的全部半导体开关S1和S2基本上这样地设定规格，即其能够补偿至少一个电压转换模块20的故障。升压变流器22的和半导体开关S1和S2的这种超规格提高了系统成本、构造空间要求以及尤其在部分负载运行时使得总效率变差。
发明内容
本发明的目的在于，实现一种成本低廉且高效的解决方案，以便能够灵活地为电组件供电。
该目的根据本发明通过一种装置、驱动布置以及方法实现。
根据本发明的装置用于提供电压。该装置具有电池系统，该电池系统包括由用于提供第一电池子模块电压的第一电池子模块和用于提供第二电池子模块电压的第二电池子模块构成的串联电路；和用于将第一电池子模块电压转换成输出电压的第一电压转换模块，该输出电压能够被供给能连接到电压转换模块的电组件。此外，该装置具有耦合装置，该耦合装置设计用于将电压转换模块与第一电池子模块和第二电池子模块如下地电连接，使得在电压转换模块处施加了由第一电池子模块电压和第二电池子模块电压构成的总电压。换句话说，耦合装置设计用于将多个电压转换模块如下地电连接，即在电压转换模块中的一个处施加了所有此时进行参与的电池子模块的总电压。
换句话说，这意味着例如耦合装置使与第一电池子模块电连接的第一电压转换模块附加地与第二电池子模块电连接。因此，能够形成闭合的电路，其包括耦合装置、第一电压转换模块和电池系统。因为在电池系统的内部，第一电池子模块和第二电池子模块串联，因此电池系统现在提供了总电压。该总电压通过第一电池子模块电压与第二电池子模块电压相加获得。该总电压现在施加在第一电压转换模块处。第一电压转换模块能够借助于总电压为连接的电组件供给。由此获得这样的优点，即包括电池系统和其上能连接电组件的第一电压转换模块的电路布置借助耦合装置能够特别灵活地设计。升压功能(Boost-Funktion)，即借助总电压能够为电组件提供灵活功率的可行性使得电路布置的应用可行性多样化。为此，特别是不必改变电路布置的拓扑结构。
特别优选地，第一电压转换模块具有线圈，其能够借助耦合装置与第二电池子模块电连接。这意味着，耦合装置使与第一电池子模块电连接的第一电压转换模块的线圈附加地与第二电池子模块电连接。现在，在线圈处施加了由第一电池子模块电压与第二电池子模块电压相加获得的总电压。线圈设计用于将通过第一电池子模块和第二电池子模块提供的电能作为磁能存储。在线圈中存储的磁能作为电能输送给连接到第一电压转换模块处的电组件。由此，与仅仅通过唯一的电池子模块、例如第一电池子模块所提供的相比，以相同的时间为电组件提供了更大量的能量。
能够提出，耦合装置具有晶体管。因此，耦合装置能够特别简单和廉价地设计。
在优选的实施方式中，装置具有控制装置，其设计用于控制耦合装置。因此，例如如果连接到第一电压转换模块的电组件需要短时地提高功率，能够按需要地提供效率最优的升压功能。控制装置能够例如设计用于识别出连接到第一电压转换模块的并且被供给有来自第一电池子模块的能量的电组件的升高的能量需求，并且据此来控制耦合装置。耦合装置设计用于将附加的电池子模块、例如第二电池子模块与第一电压转换模块连接，从而能够为电组件供给来自第一和第二电池子模块的能量。
特别优选的是，装置具有至少一个开关装置，其布置在至少两个电池子模块之间，用于串联地电连接第一电池子模块和至少一个第二电池子模块，和/或用于电分开第一电池子模块和至少一个第二电池子模块。通过借助耦合装置串联地电连接至少两个电池模块能够实现更高的总电压，其由至少两个电池模块提供的电池模块直流电压之和获得。通过借助耦合装置电分开与所涉及的电压转换模块相关的至少两个电池模块能够例如彼此独立地、尤其是没有不期望的干扰耦合地对电池模块进行加载。
特别优选的是，第一电压转换模块具有逆变器。此外，电压转换模块能够在升压变流器的输出侧上也具有逆变器。逆变器设计用于将直流电压转换成交流电压。因此，电机、例如电动机也能够作为电组件连接到电压转换模块处并且供给有来自第一电池子模块或者来自两个电池子模块的能量。
也能够提出，装置具有用于提供至少一个第三电池子模块电压的至少一个第三电池子模块并且耦合装置设计用于将第一电压转换模块与第一电池子模块与第二电池子模块以及至少一个第三电池子模块电连接，使得在第一电压转换模块处施加了由第一电池子模块电压和第二电池子模块电压以及至少一个第三电池子模块电压构成的总电压。因此，例如如果需要更大量的能量来运行一个和/或多个电组件时，装置能够以另外的电池模块来扩展。借助耦合装置能够为例如连接到第一电压转换模块处的电组件输送总电压，该总电压由第一电池模块电压和第二电池模块电压以及至少一个第三电池模块电压之和获得。因此，通过升压功能所提供的提高的功率在功率高度方面能够进行缩放。
在优选的实施方式中，装置具有至少一个第二电压转换模块，其能够与第二电池子模块如下地电连接，使得在第二电压转换模块处施加了第二电池子模块电压。第二电组件能够连接到至少一个另外的电压转换模块处，该电组件能够被供给有第二电池子模块电压。装置因此设计用于为多个电组件供应能量，并且在此同时借助耦合装置提供用于各个组件的升压功能。
此外，本发明涉及一种具有至少一个根据本发明的装置的驱动布置。
此外，本发明还涉及一种用于提供电压的方法。该方法包括提供第一电池子模块，在第一电池子模块处施加了第一电池子模块电压；并且提供第二电池子模块，在第二电池子模块处施加了第二电池子模块电压；以及借助第一电压转换模块来转换第一电池子模块电压。此外，该方法包括将第一电压转换模块与第一电池子模块和第二电池子模块耦合，使得在第一电压转换模块处施加了由第一电池子模块电压和第二电池子模块电压构成的总电压。
附图说明
参考根据本发明的装置介绍的优选的实施方式及其优点相应地适用于根据本发明的驱动布置以及根据本发明的方法。下面，现在根据可行的实施例以及参考附图进一步说明本发明。
其示出：
图1是根据现有技术的用于供电的电路布置的示意图；
图2是升压变流器的原理性构造的示意图；
图3是驱动布置的示意图；并且
图4是根据本发明的装置的实施方式的示意图。
具体实施方式
接下来描述的实施例是本发明的优选实施方式。但是，在实施例中，实施方式的所描述的组成部份分别单独地，彼此独立地代表了本发明的所关注的特征，其也分别彼此独立地改进了本发明并且进而也单独或者以不同于所示出的组合视作本发明的组成部分。此外，所描述的实施方式也能通过本发明的已经描述的特征中的其他特征来补充。
图3示出了驱动布置1，其例如能够布置在机动车中或者布置在风力发电设备中。在此，也称为电池堆叠的多个电池子模块13通过开关装置17串联成电池系统10。开关装置17能够借助控制装置11通过控制总线12来控制。在电池子模块13的每一个处下降有电池子模块电压UM。在电池系统10的各个电池子模块13之间布置有电压分接头18，通过电压分接头能够将电压转换模块20连接到每个电池子模块13处。现在，在与电池子模块13电连接的电压转换模块20处下降了电池子模块13的电池子模块电压UM。电池子模块13以及连接的电压转换模块20分别形成子模块40，40′，40″。借助子模块40，40′，40″能够为耗电设备30，30′，30″供能。
在上方子模块40′的内部，电压转换模块20包括多个并联的电压转换件21，在其上连接有电组件30′、尤其是电动机。电压转换件21的并联连接用于缩放电流。
在当前的实施例中，唯一的电组件30连接到两个在中间的子模块40处。由此，两倍的子模块功率输送给电组件30。在其上连接有电组件30的子模块40的串联连接用于缩放电压。
下方的子模块40″为电组件30″供能，其当前构造为DC负载。电压转换模块20的电压转换件21在此例如构造为直流电压转换器。
因此，图3示出了，能够任意地并且彼此独立地加载电池子模块13。为了现在能够为电压转换模块20中的至少一个并且进而为耗电设备30，30′，30″提供升高的电压、尤其是峰值功率，根据图4的驱动布置1能够在升压变流器侧上进行扩展。
图4示出了用于提供电压的装置2，其能够以驱动布置1的另外的实施方式来布置。装置2包括由串联的多个电池子模块13，13′，13″，13″′构成的电池系统10。电池子模块13，13′，13″，13″′能够一致地设计。在当前的实施例中，电池系统10由其上下降有第一电池子模块电压UM的第一电池子模块13、其上下降有第二电池子模块电压UM′的第二电池子模块13′、其上下降有第三电池子模块电压UM″的第三电池子模块13″、和其上下降有第四电池子模块电压UM″′的第四电池子模块13″′构成。电池子模块电压UM，UM′，UM″，UM″′能够具有一致的电压值。在装置2的内部也能够设置另外的电池子模块。
在各个电池子模块13，13′，13″，13″′之间能够设置开关装置17，其能够借助于控制装置11通过控制总线12来控制。开关装置17设计用于使两个相邻的电池子模块13，13′，13″，13″′电连接和/或电分离。
在电池系统10的各个电池子模块13之间能够布置电压分接头18，通过该电压分接头能够使电压转换模块20，20′，20″，20″′连接到电池子模块13，13′，13″，13″′中的每一个处。电压转换模块20，20′，20″，20″′能够一致地实施。在本实施例中，第一电压转换模块20与第一电池子模块13连接，第二电压转换模块20′与第二电池子模块13′连接，第三电压转换模块20″与第三电池子模块13″连接，并且第四电压转换模块20″′与第四电池子模块13″′连接，其中，在电压转化模块20，20′，20″，20″′的每一个处都施加有电池子模块电压UM，UM′，UM″，UM″′，其由相应地连接的电池子模块13，13′，13″，13″′提供。
电组件30、例如电机能够连接到电压转换模块20，20′，20″，20″′的每个处并且能够被供给有来自连接到相应的电压转换模块20，20′，20″，20″′处的电池子模块13，13′，13″，13″′的第一能源量。电压转换模块20，20′，20″，20″′中的每一个都具有升压变流器22，以及可选的逆变器23。升压变流器22包括两个开关件S1和S2、也称为扼流器L的扼流线圈L和电容器C。每个电压转换模块20，20′，20″，20″′的升压变流器都设计用于使得所施加的电池子模块电压UM，UM′，UM″，UM″′转换为第一输出直流电压，其值尤其大于电池子模块电压UM，UM′，UM″，UM″′的值。施加在升压变流器22的电容器C处的第一输出直流电压能够借助逆变器23转换成第一交流电压并输送给电组件30。电组件30能够构造成电机。
接下来要提出一个实施例，在该实施例中提供所谓的升压功能。在此，连接到第一电压转换件20处并且被供给有来自第一电池子模块13的第一能源量的电组件30例如能够被输送第二能源量。第二能源量尤其大于通过第一电池子模块13提供的第一能源量。
为此设置有耦合装置T3，其在此构造成功率半导体开关。功率半导体开关能够是晶体管，尤其是MOSFET。耦合装置T3具有第一接口27和第二接口28。耦合装置T3的第一接口27与第一电压转换模块20的扼流线圈L连接，耦合装置T3的第二接口28与第二电池子模块13′的负极连接。
如果现在要提供升压功能，那么控制装置11设计用于如下地控制耦合装置T3、尤其是功率半导体开关，使得产生了包括耦合装置T3、第一电池子模块13、第二电池子模块13′和扼流线圈L的闭合电路。在第一电压转换模块20的扼流线圈L处现在施加了总电压，其由第一电池子模块13的电池子模块电压UM和第二电池子模块13′的电池子模块电压UM′之和构成。施加在扼流线圈L处的总电压能够借助第一电压转换模块20的升压变流器转换成第二输出直流电压，其值能够大于第一输出直流电压的值。第二输出直流电压能够借助逆变器转换成第二交流电压，其值能够大于第一交流电压的值，并且输送给电机30。
因此，通过例如使连接到第一电压转换模块20的电机30短时地通过多个电池子模块13，13′来馈电的方式，通过使用仅仅一个附加的功率半导体开关T3就能够实现升压功能。
第二电池子模块13′及连接至其上的电压转换模块20′设计用于为连接到第二电压转换模块20′处的电组件30供应能量，而第二电池子模块13′用于升压功能。这意味着，第二电池子模块13′设计用于同时为第一电压转换模块20和第二电压转换模块20′提供能量。
也能够提出，第一电压转换模块20被馈送了来自第一电池子模块13、第二电池子模块13′和第三电池子模块13″的能量。耦合装置T3此时能够与第三电池子模块13″连接，从而在扼流线圈L处施加了总电压，其由第一电池子模块电压UM、第二电池子模块电压UM′和第三电池子模块电压UM″相加而得出。在此，耦合装置T3的此时所使用的晶体管必须具有阻断电压，其大于电压转换模块20的中间回路电压与另外的电压转换模块20′，20″的所连接的电池子模块电压UM′，UM″之和。因此，电压转换模块20的扼流线圈L通过超过一个电池子模块13，13′，13″来充电，由此缩短充电时间并且第一电压转换模块20的具有相对小的扼流线圈L的升压变流器22能够提供比仅仅应用一个电池子模块13时更多的能量。
如果第一电压转换模块20要通过超过三个电池子模块来馈电，相应地采取措施。也能够提出，应该例如为第二电压转换模块20′提供升压功能。此时，耦合装置T3能够将第二电压转换模块20′的扼流线圈L与电池子模块13″，13″′中的至少两个连接。
因此，通过该实例示出，在使用仅仅一个附加的半导体开关件T3的情况下能够将升压功能集成到驱动布置1中。

Claims (10)

1.一种用于提供电压的装置(2)，具有：
电池系统(10)，该电池系统包括由用于提供第一电池子模块电压(UM)的第一电池子模块(13)和用于提供第二电池子模块电压(UM′)的至少一个第二电池子模块(13′)构成的串联电路，
用于将所述第一电池子模块电压(UM)转换成输出电压的第一电压转换模块(20)，所述输出电压能够被供给能连接到所述第一电压转换模块(20)的电组件(30)，
其特征在于，
所述装置(2)具有耦合装置(T3)，该耦合装置设计用于使所述第一电压转换模块(20)与所述第一电池子模块(13)和至少一个所述第二电池子模块(13′)电连接，使得在所述第一电压转换模块(20)处施加了由所述第一电池子模块电压(UM)和所述第二电池子模块电压(UM′)构成的总电压。
2.根据权利要求1所述的用于提供电压的装置(2)，其中，所述第一电压转换模块(20)具有线圈(L)，该线圈能够借助所述耦合装置(T3)与所述第二电池子模块(13′)电连接。
3.根据权利要求1或2所述的用于提供电压的装置(2)，其中，所述耦合装置(T3)具有晶体管。
4.根据权利要求1或2所述的用于提供电压的装置(2)，其中，所述用于提供电压的装置(2)具有控制装置(11)，该控制装置设计用于控制所述耦合装置(T3)。
5.根据权利要求1或2所述的用于提供电压的装置(2)，其中，所述用于提供电压的装置(2)具有至少一个开关装置(17)，该开关装置布置在至少两个电池子模块(13，13′)之间，以用于使所述第一电池子模块(13)与至少一个所述第二电池子模块(13′)电连接和/或用于使所述第一电池子模块(13)和至少一个所述第二电池子模块(13′)电分开。
6.根据权利要求1或2所述的用于提供电压的装置(2)，其中，所述第一电压转换模块(20)具有逆变器(23)。
7.根据权利要求1或2所述的用于提供电压的装置(2)，其中，所述用于提供电压的装置(2)具有用于提供至少一个第三电池子模块电压(UM″)的至少一个第三电池子模块(13″)，并且所述耦合装置(T3)设计用于将所述第一电压转换模块(20)与所述第一电池子模块(13)与所述第二电池子模块(13′)以及至少一个所述第三电池子模块(13″)电连接，从而在所述第一电压转换模块(20)处施加了由所述第一电池子模块电压(UM)和所述第二电池子模块电压(UM′)以及至少一个所述第三电池子模块电压(UM″)构成的总电压。
8.根据权利要求1或2所述的用于提供电压的装置(2)，其中，所述用于提供电压的装置(2)具有至少一个第二电压转换模块(20′)，该第二电压转换模块能够与所述第二电池子模块(13′)电连接，使得在所述第二电压转换模块(20′)处施加了所述第二电池子模块电压(UM′)。
9.一种驱动布置(1)，具有至少一个根据权利要求1-8中任一项所述的用于提供电压的装置(2)。
10.一种用于提供电压的方法，具有以下步骤：
提供第一电池子模块(13)，在该第一电池子模块处施加了第一电池子模块电压(UM)；以及提供至少一个第二电池子模块(13′)，在该第二电池子模块处施加了第二电池子模块电压(UM′)，以及借助第一电压转换模块(20)转换所述第一电池子模块电压(UM)，其特征在于，
将所述第一电压转换模块(20)与所述第一电池子模块(13)和至少一个所述第二电池子模块(13′)耦合，使得在所述第一电压转换模块(20)处施加了由所述第一电池子模块电压(UM)和至少一个所述第二电池子模块电压(UM′)构成的总电压。
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