CN106575928A - 模块化能量存储器直接转换器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明描述一种模块化能量存储器直接转换器系统(10),包括：控制装置(20)；以及至少一个电桥支路(12)，至少一个电桥支路(12)包括串联连接的多个模块(14)，其中,所述模块(14)中的每个包括用于电能的存储元件或能量转换元件,用于电能的存储元件具体地为电池。所述模块(14)设计成并且可致动成，使得模块的存储元件或能量转换元件能够可选地停用，并且由具有停用的存储元件/能量转换元件的至少一个中间模块分隔的两个模块的存储元件或能量转换元件能够可选地并联和串联连接。

Description

模块化能量存储器直接转换器系统
技术领域
本发明是电气工程领域。具体地，涉及包括至少一个电桥支路的模块化能量存储器直接转换器系统，所述电桥支路包括多个相继连接的模块。
背景技术
在众多技术领域中，电池系统越来越重要。一种尤为重要的应用涉及电动车辆，在电动车辆中,电池系统对于未来移动是关键要素。另一个极其重要的应用是作为用于可再生能源的静态能量存储装置的电池系统。
当前使用的能量存储系统中的多种系统包括多达数千个串联或并联连接的能量存储元件，其中,施加与所需总电压相比较小的电压,或者可将与所需总电压相比较小的电压施加至每个能量存储元件。通过使用串联连接，各个电压相加以产生总电压。使用并联连接意味着电荷被求和。例如，在诸如特斯拉型号S的电动汽车中，安装大约6000个电池单元。电池的电池电压和电气性能主要取决于所使用的电池技术。典型系统的电池电压范围从1.0伏特至3.7伏特。
由于电池的略为不同的物理性质，因此它们在它们的容量和老化行为方面不同。由于由此获得的各个电池的不同电压，所以,在当前电池系统中,为了增加电池系统的总容量,需要平衡所有电池的电荷。为了执行此平衡，当前使用称为电池管理系统(BMS)的系统，该系统基于有源或无源平衡方法操作。然而，此类已知的电池管理系统较昂贵、损耗较大、通常昂贵并且在某些情况下甚至对电池有破坏性。
为了使电池系统的能量对于消费者是可用的，还需要用于稳定所输出电压或生成期望相位的AC电压的功率电子转换器。此外，为了给电池系统充电，通常需要称为充电转换器的另一转换器。
电池系统方面的现有技术具有多个缺点。一个缺点是系统的操作点完全不能或者仅在很小程度上适于当前的需求，并且系统的总功率通常受到组件中最弱子单元的限制。
在基于储能电池的无源平衡的BMS的情况中，能量通过将电能转换成热能而被故意地浪费并耗散。特别是在用无源平衡的情况下，组件中最弱的电池例如必须通过使充电或放电过程终止来确定总容量。
具有较多有源平衡的BMS通常基于能量由于电池之间的电荷转移而改变的原理。然而，这种电荷转移总是伴随着能量损失，并且还降低电池的使用寿命。
在常规系统中，通常还需要系统中的所有电池是相同类型的,并且需要它们的电气特性和物理特性具有最小的可能差异。另外，当前系统通常通过高技术电路和高复杂性滤波器操作，这增加了能量消耗和成本。
与电池系统中的问题类似的问题也出现在能量转换系统中，所述能量转换系统包括例如作为能量转换元件的燃料电池或太阳能模块。在这种类型的能量转换系统中，多个电池串联连接以增大总电压以及并联连接以增大电荷或电流。
发明内容
本发明的目的是提供用于能量存储器或能量转换器的系统，其中，避免上述问题。
此目的通过根据权利要求1所述的系统、根据权利要求27所述的用于生产这种系统的方法以及根据权利要求29所述的用于提供期望的电压或期望的电压相位的方法。另外有利的进展在从属权利要求中具体说明。
根据本发明，提供模块化能量存储器直接转换器系统，所述系统包括至少一个电桥支路，电桥支路包括相继连接的多个模块。这些模块中的每个包括
-至少两个第一端子和至少两个第二端子，
-用于电能的存储元件或能量转换元件，用于电能的存储元件具体为电池，以及
-多个开关，
其中在所述模块中的每两个相邻模块中，一个模块的第一端子直接地或通过中间部件连接至另一模块的第二端子。
所述系统还包括控制装置，所述控制装置配置为接收与所述存储元件的当前荷电状态或与所述能量转换元件的电压或功率有关的信息，并且适于根据存储元件的当前荷电状态或能量转换元件的当前功率或电压在能量供应模式下致动多个开关的至少一部分，使得电桥支路作为整体供应期望的电压或期望的电压相位。
所述模块设计成并且可致动成，使得
-模块的存储元件或能量转换元件能够可选地停用，以及
-由具有停用的存储元件/能量转换元件的至少一个中间模块分隔的两个模块的存储元件或能量转换元件能够可选地并联和串联连接。
本发明的系统是“模块化系统”，因为其包括相继连接的多个模块，所述串联连接的模块中的每个包括用于电能的存储元件(例如电池)或可将化学能或光能转换成电能的能量转换元件(诸如太阳能电池或燃料电池)。同一系统可能包括用于电能的存储元件以及能量转换元件两者。实际上，即使单个模块也可包括存储元件以及能量转换元件两者。然而，也可设想其他设计，其中仅存在存储元件，即，诸如电池或电池单元。最后，也可设想系统仅包括能量转换元件。由于系统的主要应用涉及提供至少一个用于电能的存储元件的情况，系统称为为“能量存储系统”，其在本公开的术语中还旨在包括系统仅包括能量转换元件的特定情况。
最后，所述系统是“直接转换器系统”，只要其设计成在能量供应模式下根据存储元件的当前荷电状态或能量转换元件的当前功率或电压致动所述多个开关的至少一部分，使得电桥支路作为整体已经提供期望电压或期望的电压相位，从而不再需要另外的转换器。
应注意，已经在WO2012/072168 A2中公开具有用于单个模块的动态串联和并联连接的设施的模块，但是是在多级转换器拓扑的背景下的情况中。然而，虽然与多级转换器的情况不同，但是在本发明中，设置为：模块的存储元件或能量转换元件能够可选地停用，并且由具有停用的存储元件/能量转换元件的至少一个中间模块分隔的两个模块的存储元件或能量转换元件能够可选地并联或串联连接。
由于可选地不仅串联或并联地连接相邻模块而且还连接仅由停用的模块分隔的那些模块的设施，可以优良且成本有效的方式避免现有技术中的上述问题。
如下面通过参考示例性实施方式更详细地示出的，在存储元件之间不需要电荷转移来供应能量。相反，可在能量供应模式下使存储元件或能量转换元件互连，使得电桥支路作为整体已经输送期望的电压或期望的电压相位，从而不需要其他转换器，而同时避免了通过电荷转移来平衡各个存储元件/能量转换元件之间的电荷的需要。因此，为此目的至关重要的是，各个模块能够可选地停用，例如因为它们不具有当前所需的荷电状态，并且当它们的当前电荷、电压或功率状态“适合”期望的能量供应时可被使用。具体地，一组相邻模块可在充电和放电期间以同步方式依次并联连接，使得尽管有不同的初始荷电状态，但在模块之间不需要电荷转移，如下面通过参考示例性实施方式更详细解释的。
模块化能量存储器直接转换器系统还允许使用不同类型或甚至不同老化状态的存储元件/能量转换系统，而这不会自动导致性能降低或效率损失。
在有利的实施方式中，控制装置适于根据存储元件的当前荷电状态或者根据能量转换元件的当前功率输出或电压在充电模式下致动所述多个开关的至少一部分，以便通过从外部施加到电桥支路的AC或DC电压给存储元件中的至少一些充电。因此，例如在电动汽车中，不使用诸如当前需要的另外充电转换器。本发明的系统原则上可通过任何期望的外部电压有效地充电。这例如在用于电动汽车时提供了很大的优点，因为在车辆上不需要存在另外的充电转换器，或者因为不需要具有这种充电转换器的充电站，这极大地增加了灵活性。相反，根据什么是可用的，电动汽车可例如可选地用有效电压为400V或230V的AC电压的三相电流充电。
在有利的实施方式中，模块的存储元件/能量转换元件具有两个电极。另外，存储元件/能量转换元件可通过对应模块的开关的状态而停用，其中,存储元件/能量转换元件的电极中的至少一个不连接至第一连接器和第二连接器中的任一个。
如将在以下示例性实施方式中示出的，存在许多可能的装置用于使存储元件/能量转换元件停用，并且本发明不限于任何特定电路。然而，证明有利的系统是存储元件/能量转换元件的电极中的一个可通过相关的开关与模块的其余部分断开的系统。这利用相对较少数量的开关实现期望的功能。
在一个实施方式中，模块可在电流-电压平面的所有四个象限中操作。具体地，所使用的模块设计成并且能够致动成,使得两个相邻模块的存储元件/能量转换元件可
用相同极串联连接，
用相反极串联连接，
用相同极并联连接，以及
用相反极并联连接
使用这样的“四象限模块”允许在充电模式下以及能量供应模式下的最大灵活性。
然而，可替代地，模块也可设计成使得它们可仅在电流-电压平面的两个象限中操作。在这种情况下，可提供另外电路，通过所述另外电路，串联连接的二象限模块的链可作为单个单元极性反转。
还可能的是，所述四象限模块至少部分地由至少两个二象限模块的极性可反转的链形成。
在有利的实施方式中，所述模块具有三个或更多个第一端子和第二端子。
在有利的实施方式中，电桥支路的第一个模块和/或最后一个模块中的至少两个最外连接件互相连接。
本发明的能量存储器直接转换器系统可包括两个电桥支路、三个电桥支路、四个电桥支路、五个电桥支路或更多个电桥支路。在电桥支路相遇的位置处，可分接期望的电压相位。
在有利的实施方式中，电桥支路的第一个模块和/或最后一个模块中的至少两个最外连接件分别连接至邻接的电桥支路的模块的至少两个最外端子。
在有利的实施方式中，两个电桥支路、三个电桥支路、四个电桥支路、五个电桥支路或更多个电桥支路以星形拓扑或环形拓扑连接在一起。
在特别有利的实施方式中，两个电桥支路、三个电桥支路、四个电桥支路、五个电桥支路或更多个电桥支路以环形拓扑互连，使得每个电桥支路的至少两个最外端子分别连接至邻接的桥臂的至少两个最外端子，并且控制装置配置为致动所述多个开关的至少一部分，使得至少两个相互独立的环电流可流过由电桥支路形成的环。在这种情况下，例如，一个环电流可用于补偿对应的多相网络的不对称性。例如，由于不平衡的负载，三相网络的三个电流就其量级而言大小不等。因此，环形拓扑的环电流使得能够以允许电流从源的角度看在量级上呈现相等的方式在相位之间进行功率传递。第二环电流可用于平衡各个存储/能量转换元件的荷电状态-甚至超过直接转换器的相位。
在有利的实施方式中，电感器可设置在至少一个电桥支路内，具体地在一个模块内或者在相邻模块之间。这些电感可用于在切换电压时减小电流峰值。
所述开关优选地至少主要由MOS-FET、IGBT、IGCT或晶闸管形成。
存储元件可由以下元件中的一个或多个形成：
-电容器，
-电池单元，具体地二次使用的电池单元或
-氧化还原液流电池。
所述能量转换元件可由太阳能电池、燃料电池或热电偶元件形成。
在有利的实施方式中，所提及模块的至少一部分包括存储元件，并且所述模块的至少一部分包括能量转换元件。例如，如果将太阳能电池用作能量转换元件，则这种系统是有利的。这种系统可维持恒定的期望电压或期望的电压相位，即使在变化的入射太阳辐射下亦是如此。如果由太阳能电池生成的功率超过被分接的功率，则多余能量可用于给存储元件充电。相反，在较低入射太阳辐射的时段期间，太阳能电池可由存储元件支持，使得所需功率保持可用。
然而，本发明的系统不仅允许存储元件和能量转换元件在相同的能量存储器直接转换器系统中组合。特别的优点是以下事实：在本发明的系统中，不同类型或具有不同老化程度或“健康状态”的存储元件可根据其性能适宜地使用和组合。因此，在有利的实施方式中，模块的一部分具有第一类型的存储元件，并且模块的另一部分具有第二类型的存储元件，第二类型与第一类型不同，第一类型和第二类型具体地在以下特征中的一个或多个方面不同：
-充电时间，
-内电阻，以及
-容量。
与常规电池系统相比，这是重要的优点，其中，所使用的电池必须几乎总是相同类型，并且任何偏差通常会损害效率或容量。结合不同类型或具有不同性质的存储元件的设施具有多种实际益处。例如，可针对不同的目的提供存储元件，以满足不同条件下的不同要求。例如，可提供极快速充电的存储元件，以及具有极大容量但仅可较慢地充电的电池。
还有利的是，由老化过程造成的差异，其通常在相同类型的不同产品上以不同的速率进行，不会导致系统的根本损害，并因此在很大程度上可被容忍。为此，存储元件可比常规电池系统使用更长的时间。
事实上，即使是所谓的二次使用的电池(对于其他应用，其由于不适合已经必须被消除)也可在本发明的系统中有使用价值。为此，它可非常经济有效地用使用过的存储元件组装或补充，否则对于使用过的存储元件在实际应用中几乎没用。由于模块化设计，系统还能够容易地利用使用过的存储元件扩展和补充。
最后，如上面已经提到的，也可能的是，模块中的至少一部分包括存储元件以及能量转换元件。
在有利的实施方式中，控制装置适于识别存储元件将并联连接的模块的组，其中，控制装置配置为根据存储元件的当前荷电状态致动所述多个开关的至少一部分，使得在组的模块并联连接之前，模块的电压或荷电状态通过以下方式均衡：在充电过程期间优选地给具有较低电压或较低荷电状态的模块或模块子组充电，和/或在能量供应模式期间优选地给具有高电压或高荷电状态的模块或模块子组放电。
以这种方式，模块的荷电状态可在电荷不必从一个模块转移到另一个模块的情况下均衡，电荷从一个模块转移到另一个模块将不可避免地导致损失。这使得根据本发明的系统中的所有存储元件能够总是具有非常类似的充电状态。这意味着具有最低容量的电池不像以前的电池系统中的情况那样确定两个总体荷电状态“满”或“空”；相反，更有效地使用这种系统的总容量。
在另一个有利的实施方式中，控制装置配置为通过以下方式识别模块的存储元件的容量：在系统的连续操作中使存储元件完全充电和完全放电并且检测流入或流出存储元件的能量。
最后，控制装置优选地适于通过测试来识别故障模块，其中,测试包括以下标准中的一个或多个：
-存储元件有缺陷吗？
-存储元件是短路或开路吗？
-旁路模式可能吗？
-哪些开关状态也是可能的？
在有利的实施方式中，控制装置配置为致动开关中的至少一些，使得系统输出市电电压，具体地1000V或更小的三相市电电压,优选地大约400V的三相市电电压。
此系统的特别有利的应用是用于太阳能系统，其中,太阳能电池或太阳能电池模块形成能量转换元件，并且由太阳能电池生成的电压可直接转换成市电电压。如果生成的进入太阳能超过电流消耗，则如上所述,额外的能量可存储在另外提供的存储元件中，并随后在功率需求超过太阳能电池的输出的时候可从系统提取作为电源电压。
本发明还涉及用于车辆的电驱动装置，其包括根据前述实施方式中任一项所述的模块化能量存储器直接转换器系统。如上所述，对于这种情况，对于发动机的操作不需要另外的转换器，也不需要任何充电转换器。另外，具体地在电动车辆应用的情况下，系统的优点，即提高的能量效率、电池单元的节省以及组件中各个电池的劣化对其他电池的性能没有影响的设施具有特别的益处。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施方式的具有单个电桥支路的能量存储器直接转换器系统的示意图。
图2是具有两个电桥支路以及用于生成三个电压相位的三个最外端子的能量存储器直接转换器系统的示意图。
图3a和3b示出具有以星形拓扑布置的三个电桥支路的能量存储器直接转换器系统，每个模块具有两个第一端子和两个第二端子。
图4示出具有以星形拓扑布置的三个电桥支路的能量存储器直接转换器系统，每个模块具有三个第一端子和三个第二端子。
图5是具有环形拓扑的能量存储器直接转换器系统的示意图。
图6示出利用另外的电感相继连接的模块的电路。
图7-12示出具有两个第一端子和两个第二端子的四象限模块。
图13-18示出具有三个第一端子和三个第二端子的四象限模块。
图19-20示出具有两个第一端子和两个第二端子的二象限模块。
图21-22示出了二象限模块,该二象限模块具有三个第一端子和三个第二端子并且具有用于使串联连接的此类模块的极性反转的另外电路。
图23是示出生成期望的电压电平的流程图。
图24是识别故障模块的过程的流程图。
图25是这样的过程的流程图,根据该过程,使具有电压差的模块在电压上均衡并且并联连接。
图26是示出以连续操作测试模块的容量的流程图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，在下文中参考附图中所示的通过参考特定术语描述的优选示例性实施方式。然而，应注意，这并不旨在限制本发明的保护范围，因为对装置和方法的此类改变和进一步的修改以及附图所示的本发明的此类其他应用被认为是本领域技术人员的已知或未知知识。
图1示出根据本发明的一个实施方式的模块化能量存储器直接转换器系统10的示例性实施方式。系统10包括电桥支路12，所述电桥支路12包括相继连接的多个模块14。为了简单起见，在图1中仅示出三个串联连接的模块14，然而应理解，在实际应用中电桥支路12中的模块14的数量实质上将基本更大，并且可远超过100，在一些应用中超过1000并且甚至超过几千。模块14中的每个具有两个第一端子16和两个第二端子18，在图1中的图示中仅针对电桥支路的最左边的模块14示出所述端子。在两个相邻模块14中的每一个中，一个模块的第一端子16直接连接至相邻模块的第二端子18。然而，相邻模块的端子也可通过中间部件间接连接来代替如图1中所示的直接连接。
模块14中的每个包括用于电能的存储元件(具体地电池)或能量转换元件(图1中未示出)和多个开关(图1中未示出)。术语电池也可理解为指蓄电池的单个电池或并联和/或串联连接的电池。下面详细示出模块14的内部结构的多个可能实施方式。
最后，图1的系统10包括控制器20，所述控制器20配置为接收与存储元件(未示出)的当前充电状态或能量转换元件(未示出)的电压或功率有关的信息。控制器20还适于在能量供应模式下根据存储元件的当前荷电状态或能量转换元件的当前功率或电压致动多个开关的至少一部分，使得电桥支路12作为整体在其终端接线22之间供应期望的电压。在图1的示例性实施方式中的终端接线22处，最左侧的模块14的第一端子16和最右侧的模块14的第二端子18被分组在一起，并且所施加的电压被分接。图1所示的从控制器20到各个模块14的连接应被理解为是象征性的。在任何情况下，这些可涉及到模块14的一个或多个导体或无线连接；此外，控制装置20也可通过数据总线连接到一个或多个模块，使得控制信息可通过数据总线转发到其他模块。控制装置20还可在充电状态下致动多个开关，使得可在给定的电压电平下在终端接线22处吸收能量。
如下面基于具体示例性实施方式详细示出的，模块14设计成并且可致动成使得
-模块14的存储元件或能量转换元件能够可选地停用，以及
-由具有停用的存储元件/能量转换元件的至少一个中间模块14
分隔的两个模块14的存储元件或能量转换元件能够可选地并
联和串联连接。
在本文中，术语存储元件/能量转换元件的“停用”是指所涉及的元件不参与能量供应过程或充电过程。由于“跳过”各个停用的模块14并且仍然并联或串联连接由停用模块分隔的这些模块14的设施，所以可生成几乎任何电压波形作为端子22处的输出，并且系统10可几乎通过实际施加到最外端子22的任何电压(无论它们是DC还是AC)来充电，并且实际上在这两种情况下，均以避免模块14之间有损耗的电荷转移的方式。应注意，在以下描述中，术语模块的“并联连接”或“串联连接”旨在表示对应的用于电能的存储元件或能量转换元件并联连接或串联连接。
图2示出另一系统10的实施方式，系统10包括具有总共三个最外端子22的两个电桥支路12。在最外端子22处，例如，可分接三相电压。应注意，以与图1的实施方式类似的方式，在左侧的最外端子22处，邻接的模块14的第一端子16被分组在一起，并且在右侧的最外端子22处，邻接的模块14的两个第二连接件18也被分组在一起。然而，在图2的实施方式中，在每种情况中，两个电桥支路12之间的输出部22仅连接至相邻模块14的一个第一输出部或第二输出部。通过这种方式，在整个系统中形成另外电流路径，这增加了自由度的数量和操作能力。但是也可能在中心连接线22处将相邻模块14的第一端子16和第二端子18分组在一起。
重要的是注意，图2的模块化能量存储器直接转换器系统10以及下文描述的其他系统设置有控制装置20，控制装置20接收与荷电状态、电压或输出功率有关的信息并且相应地致动模块14的开关，但是为简单起见在下面的图中未示出。
图3a示出模块化能量存储器直接转换器系统10的另一示例性实施方式，系统10包括以星形结构布置的三个电桥支路12。在电桥支路12的相应的最外外部端子22处，可分接三个相位。内部模块14的接线在系统的拓扑中心处分组在一起。然而，它们也可如图3b的变型所示，在每种情况下分别连接至不同电桥支路的内部模块14的一个相关接线。最后，图4示出另一变型，其中每个模块14具有三个第一端子和三个第二端子。在图4的实施方式中的每个内部模块14的三个内部接线中，一个被连接，而另外两个接线分别连接到不同电桥支路12的内部模块14的端子。
重要的是注意，在操作期间，不是必须使用系统10的所有相位。例如，图2至图4所示的三相系统9中的每个也可使用单相交流电或者甚至通过仅在两个接线22处的直流电流来充电和放电。因此，例如可用230V的交流电对系统10充电，但在操作中输送400V的三相功率。在电动车辆的具体应用情况中，这将意味着例如根据可用性，可选择性地用230V AC或400V三相来给电动车辆充电。
重要的是注意，图3a至图4所示的星形拓扑可通过以下方式改变成任意相数：将另外的电桥支路12插入到星形结构中。
图5示出另一能量存储器直接转换器系统10，其中三个电桥支路12以环形结构布置。在所示的实例中，模块14位于电桥支路12的内端处的连接件未分组在一起，但在可替代的实施方式中这是完全可能的。图5中所选择的拓扑的优点是可传导两个受控且相互独立的环电流，其中一个环电流可用于例如补偿对应的多相网络的不对称性，而第二环电流可用于平衡各个能量转换或存储元件的荷电状态-也超过系统10的相位。对于图5所示的能量存储器直接转换器系统10，这里也是这种情况：利用AC或DC功率的充电或放电可仅通过三个分接点22中的两个发生。另外，这里也可将拓扑扩展到任何数量的相。还应注意，即使在整个桥臂12发生故障的情况下，也维持产生对应多相电压系统的功能性能力。在这种情况下，仅中断用于平衡操作的第二环电流的生成。
图6示出具有由“SM”(开关模块)表示的相继连接的N个模块的桥臂12的示意图。在每种情况下，在第一模块的第一端子16处或者在第N个模块的第二端子18处设置有旨在使电压峰值衰减的电感器24。
此类电感器24也可设置在模块14之间或模块14内部。
模块的结构
在下文中，通过参考图7至图22展示了多个模块14，多个模块14可用在根据本发明实施方式中的一个的模块化能量存储器直接转换器系统10中。这些模块14总结了当前优选实施方式中的一些，但是当然也可使用其他模块14，只要它们满足如上所述的系统10的要求。
在下面的描述中，在具有两个第一端子16和两个第二端子18的这类模块与各具有三个第一端子16和三个第二端子18的这些模块之间进行区分。当然,本发明不限于这些实施方式，并且还尤其理所当然的是，可提供多于三个第一端子16和三个第二端子18。
在下面的陈述中，也在可在电流-电压平面的全部四个象限中操作的模块(在下面的描述中称为“四象限模块”)与可仅在电流-电压平面的两个象限中操作的这些模块(“二象限模块”)之间进行区分。
具有两个第一端子和两个第二端子的四象限模块
图7-12示出了各具有两个第一端子16和两个第二端子18的四象限模块的实例。具体来说，图7示出具有用于电能的存储元件26的模块14，所述用于电能的存储元件26可以是例如可充电电池或蓄电池。当然，其他存储元件也是可能的，例如电容器或氧化还原液流电池。当然，也可使用例如太阳能电池、燃料电池或热电偶元件的能量转换元件来代替存储元件26，而这在模块14的具体实施方式的描述中没有特别提及，模块14的具体实施方式的描述主要旨在展示不同类型的开关拓扑。
图7的模块14包括九个开关28，开关28在所示出的实施方式中由MOSFET 30和续流二极管32形成。然而，当然也可应用其他开关，具体地IGBT、IGCT或晶闸管。因此，在下面的附图中，开关由通用符号表示，其中应理解，可使用所有这些可能性。
图7的模块14可操作地连接至与图1的控制装置20对应的控制装置(图7中未示出)。该控制装置接收与存储元件26的当前荷电状态有关的信息或者在存在能量转换元件而不存在存储元件26情况下与当前输出功率或电压有关的信息。该控制装置还适于致动模块14的开关28，并且因此适于操作它们。
图7的模块14是四象限模块，其可在电流-电压平面的全部四个象限中操作。如果图7所示的模块14中的两个相继连接，则这些相邻模块的对应存储元件26可
-用相同极串联连接，
-用相反极串联连接，
-用相同极并联连接，以及
-用相反极并联连接
也可通过断开在图7的图中与存储元件26的上电极相邻的开关28来停用存储元件26。
如果如图7所示的多个模块14相继地连接，则不仅相邻模块14的存储元件26，而且由一个或多个停用模块14分隔的这些模块14的存储元件26也能够可选地串联或并联连接。
图8示出根据图7的多个模块14的连接，其中，MOSFET 30和续流二极管32的组合已由简单的开关符号代替。此外，在模块的相继连接中，单个模块14已由虚线绘制的框标识。
图9示出每个模块仅具有六个开关28的不同类型的开关模块14的连接，其中单个模块也由以虚线画出的框标识。在此图和下面的图中，省略了开关28和存储元件的附图标记，因为它们不是理解所必需的。
重要的是注意，在本公开中，术语“模块”14应被广义地解释。在一些实施方式中，为了实际目的，模块14将是可互相组合并且单独地更换的独立组件。在其他实施方式中，模块在不以任何方式在结构上分开的情况下仅由电路内的功能单元组成。
图9的模块14还包括这样的开关，通过该开关，存储元件的一个电极可以与模块的其余部分断开连接，以使存储元件停用。
图10和图11示出具有两个第一端子16和两个第二端子18的两个其他四象限模块14，每个模块14分别具有七个开关和六个开关。在图10和11的模块14中，存储元件也可被停用，然而，为此目的，未提供直接邻接存储元件的电极的开关。
最后，图12示出每个模块14仅具有五个开关的实施方式。然而，在图12所示的实施方式中，模块14不允许由一个或多个停用的模块14分隔的两个模块14的并联连接。然而，图12指示这样的选项，通过该选项，可以以不同的方式停用存储元件。例如，如果存储元件是氧化还原液流电池，则可通过关闭泵来使其停用。以这种方式，存储元件因此可通过由控制单元(未示出)致动而停用,而不是通过切换所明确示出的开关中的一个来停用。
具有三个第一端子和三个第二端子的四象限模块
图13至图18示出四象限模块的实施方式，各具有三个第一端子16和三个第二端子18。鉴于本文陈述的原理，对于本领域技术人员来说，推广到多于三个的第一端子或第二端子是可能的。重要的是注意，图18的模块14，类似于图12中的模块，仅基于开关28不能够并联连接由一个或多个停用的模块14分隔的模块14。图16和图17之中的模块14除链中的第一个或最后一个模块之外是相同的。
二象限模块
图19和20示出二象限模块的各具有两个第一端子16和两个第二端子18的示例性实施方式。
图21和22示出二象限模块的各具有三个第一端子16和三个第二端子18的示例性实施方式。
为了提供能量存储器直接转换器系统的全部功能，二象限模块的链可通过另外电路34作为整体极性反转，如图21和22所示。
蓄能器直接驱动系统的操作
图23示出说明根据本发明的实施方式的系统的操作的流程图。
所述过程以在步骤100系统启动开始。在随后步骤102中，控制装置询问全部模块14的荷电状态。在随后步骤104中，询问下一个所需的电压电平。在随后步骤106中，控制装置20计算达到电压电平所需的电压阶跃的数量N。例如，如果电桥支路12当前必须供应23V的电压并且例如电池单元的存储元件26具有5V的电压，则为了获得电压，将需要N＝6的电压阶跃。
在步骤108中，将可用模块14划分为N组。
在步骤110中，测试一组存储元件26之间关于荷电状态是否存在差异。如果情况不是这样，则过程前进到步骤112，其中，组中所有模块14互相并联连接，并且所述组互相串联连接。随后，过程跳回到步骤102，并且所述过程再次开始。
如果在步骤110中确定组内的存储元件26具有不同的荷电状态，则在随后步骤114中，测试系统是否正在供应能量，即其是否处于能量供应模式。如果情况是这样，则在随后步骤116中，在由模块14在组内形成子组，其中,模块14的存储元件26具有这样的荷电状态，荷电状态较高但在它们本身之间相等或至少几乎相等。在极端情况下，该子组甚至可由单个模块14形成。随后，所述过程再次前进到步骤112，其中，模块14并联连接并且组互相串联。由于此处的系统处于能量供应模式，并联连接的子组的存储元件26被放电，而组中的其他模块14的存储元件26被停用并因此被保存，即，进行荷电状态的均衡。以这种方式，所述过程自动导致模块14总是被大约均等地充电的情况。
如果在步骤114中确定系统未供应能量而是处于充电模式，则在步骤118中，由具有最低但在它们本身之间至少大约相等的荷电状态的这种模块14形成子组，并且在步骤112中，这些模块随后与其他组的模块14并联和串联连接。因此，在这种情况下，在充电期间优先考虑具有最低荷电状态的这些模块14，这进而使得能够获得荷电状态的均衡。
可见，对于此过程重要的是，各个模块14可停用，并且由一个或多个停用的模块14分隔的模块14可选择性地并联(在组内)或串联(即来自不同组的模块)连接。
图24示出说明故障模块14的处理的流程图。该过程在步骤200开始。在随后步骤202中，识别故障模块14。在步骤204中，测试故障是否由有缺陷的存储元件26引起。如果情况是这样，则在步骤206中测试存储元件26是否“打开”，即，电流是否可流过存储元件26。如果存储元件26未打开，则这意味着模块14被体二极管32和短路存储元件26自动旁路(步骤208)。这意味着，尽管模块14不再能够用于能量吸收或能量供应，但其也不会使其他模块14的操作中断。
如果在步骤204中确定故障不在于有缺陷的存储元件26，则在步骤210中测试模块14的旁路模式是否可能。如果情况是这样，则仅在步骤212中测试哪些开关状态仍然是可能的。然而，如果旁路是不可能的，则必须机械地或通过单独开关来旁路模块14(步骤214)。如果在步骤206中确定故障实际上由有缺陷的存储元件26引起，而存储元件26是“打开”的，则同样适用。
在图25中示出控制模块14的并联连接的过程的流程图。此过程在概念上类似于图23的过程。
该过程在步骤300开始。在随后步骤302中，识别将互相并联连接的这些模块14。与图23的过程类似，将要并联连接的此类模块14形成一组。
在随后步骤304中，确定组内的模块14之间的电压差，并且在随后步骤306中确定是否可形成具有大约相同电压的组。如果情况是这样，则在步骤308中，用具有大约相等电压的并联连接的模块14形成子组。
随后，过程进行到步骤310，其中执行测试以确定系统是否处于充电模式。如果在步骤306中确定不能用大约相同的电压形成子组，则所述过程还继续步骤310。
如果在步骤310中确定系统处于充电状态，则在步骤312中，对具有最低电压U或最低荷电状态的模块14或子组进行充电。在随后步骤314中，测试具有先前最低U的模块/子组的电压是否等于具有先前第二最低U的模块或子组的电压。如果情况不是这样，则过程返回到步骤312，并且具有最低电压U的模块14或子组继续被充电。以这种方式，具有最低电压的模块14/子组的电压连续地提高到具有第二最低电压的模块14/子组的电平，直到这些电压匹配。在这种情况下，过程返回到步骤308。
如果在步骤310中确定系统不处于充电状态，而处于能量供应模式，则执行步骤316和步骤318，它们是步骤312和步骤314的镜像，并且不需要进一步解释。
因此，明显的是，进行并联连接，使得在充电状态下，具有较低电压的模块14和组被连续充电，以便校正或均衡电压。一旦电压被均衡，模块14或子组就并联连接。以这种方式，在并联连接情况下在模块14之间没有电流流动，这使得能够将损耗保持为低。重要的是注意，所描述的过程是“均衡过程”，而不是容易产生损失的、存储元件26之间的“平衡过程”。
最后，图26示出控制装置20测试存储元件26的容量的过程。该过程在步骤400开始。在随后步骤402中，选择待测试的模块14。在步骤404中，测试模块14的存储元件26是否更接近满状态而不是空状态。如果情况不是这样，则在随后步骤406中规定，相应的模块14仅在充电操作期间使用而不用于放电操作，并且检测或计算流入存储元件26的能量。
在每次充电操作之后，在步骤408中进行测试以确定存储元件26是否满。如果情况不是这样，则过程返回到步骤406，并且将继续对模块14的存储元件26充电。一旦在步骤408中确定对应模块14的存储元件26已满，则过程前进到步骤410，在步骤410中，测试存储元件26是否已经完成了完全放电和充电循环。如果情况是这样，则过程移动到步骤412，并且可精确地确定能量存储元件的最大容量。如果情况不是这样，则模块必须首先进行通过步骤414和步骤416发生的互补放电过程。
步骤414和416是步骤406和408的对应部分，并且不需要进一步解释。以这种方式，利用根据本发明的系统10，可能根据图26中所描述的步骤或者稍微不同的步骤，在正在进行的操作中对单个能量存储元件26进行完全充电或放电以确定它们的容量。具体地，即使在能量存储器直接转换器系统10的充电操作期间，单个存储元件26可通过将其电荷转移到其他存储元件来放电。相反，单个存储元件26还可在蓄能器直接转换器系统10的放电过程期间通过将电荷从其他存储元件26转移到各个存储元件26来充电。
从上面的描述可看出，本发明的能量存储器直接转换器系统提供以高效率方式工作的系统，使得单独的充电管理系统是多余的，并且具体地在使用化学能量存储器时，增加它们的工作能力和使用寿命。无论是与电网同步操作还是在独立模式下操作，在能量供应模式下，系统都允许生成任何期望的电压波形。相反，具有任何期望电压波形的电能都可被系统吸收并存储在所述存储元件中。
在本发明的系统中，消费者转换器、充电转换器和标准电池管理系统的功能可通过可切换的模块和相关的控制装置整体地提供的事实意味着与常规系统相比系统的效率可提高。
荷电状态的平衡优选地通过以下方式实现：在不需要存储元件之间的“电荷转移”的情况下，优选地在能量供给模式下使具有较高荷电状态的电池成整体，并且优选地在充电过程中使具有低荷电状态的电池成整体。
本系统允许在一个系统中使用不同的技术，具体地不同类型的存储元件与不同类型的能量转换元件的组合。
本述系统还使得能够实现其他电池系统的退役电池的所谓“二次使用”，无论它们物理或电气性能如何并且在无任何另外电气部件(诸如DC/DC转换器和DC/DC中间电路)的情况下。本系统还允许不同电池技术的简单组合以及各个优点的相关组合，诸如与具有更长的充电时间的大容量电池结合的具有低容量的快速充电电池。由于模块化设计，即使在操作期间，也可轻松更换能量存储器和能量转换器元件。还可在不对整个系统的功能进行任何大的限制的情况下，使用所描述的停用方法使各个存储元件或能量转换元件停止服务。
由于其构造，本系统也是极度冗余并且抗故障的，并且作为其模块化结构的结果，它可按需要在其功率和其总容量方面扩展。
另一个优点是以下事实，可将各个模块14的电流和电压保持为低，使得仅低于保护性超低电压的电压出现，并且因此可满足保护等级III的条件。这避免了电击的危险、显著地增强了用户和服务人员的安全性。
在电动车辆中的应用的情况下，系统组合了常规电池、用于发动机的转换器和充电转换器的功能。由于其自由配置的能力和大量的自由度，系统与所有充电电流源兼容。即使DC快速充电过程也不会损害电池或蓄电池的使用寿命(与当前系统相反)或仅最低限度地损害电池或蓄电池的使用寿命。
最后，本系统可直接吸收或供应AC或三相功率，并且因此直接连接到电机、或AC传输或家用电网。
在说明书、权利要求和附图中公开的本发明的特征无论单独还是以任何期望的组合对于实现本发明都是必要的。
参考标号列表
10 能量转换器直接转换器系统
12 电桥支路
14 模块
16 第一输入端
18 第二输入端
20 控制装置
22 最外端子
24 电感器
26 存储元件
28 开关
30 MOSFET
32 续流二极管
34 反转极性电路

Claims (33)

1.一种模块化能量存储器直接转换器系统(10)，包括：
至少一个电桥支路(12)，所述电桥支路(12)包括相继连接的多个模块(14)，
其中，这些模块(14)中的每个包括
-至少两个第一端子(16)和至少两个第二端子，
-用于电能的存储元件(26)或能量转换元件,所述用于电能的存储元件(26)具体为电池，以及
-多个开关(28)；
其中，在所述模块(14)中的每两个相邻的模块(14)中，一个模块的所述第一端子(16)直接地或通过中间部件连接至另一模块(14)的所述第二端子(18)，
控制装置(20)，所述控制装置(20)
-配置为接收与所述存储元件(26)的当前荷电状态或所述能量转换元件的电压或输出功率有关的信息，以及
-适于在能量供应模式下根据所述存储元件(26)的所述当前荷电状态或者所述能量转换元件的所述当前输出功率或电压来致动所述多个开关(28)的至少一部分，使得所述电桥支路(12)作为整体供应期望电压或期望的电压相位，
其中，所述模块(14)设计成并且能够制动成，使得
-模块(14)的所述存储元件(26)或所述能量转换元件能够可选地停用，以及
-由具有停用的存储元件(26)/停用的能量转换元件的至少一个中间模块(14)分隔的两个模块(14)的所述存储元件(26)或所述能量转换元件能够可选地并联和串联连接。
2.根据权利要求1所述的能量存储器直接转换器系统(10)，其中，所述控制装置(20)适于在充电模式下根据所述存储元件(26)的所述当前荷电状态或者根据所述能量转换元件的所述当前功率输出或电压致动所述多个开关(28)的至少一部分，以便通过从外部施加至所述电桥支路(12)的AC或DC电压对所述存储元件(26)中的至少一些充电。
3.根据权利要求1所述的能量存储器直接转换器系统(10)，其中模块(14)的所述存储元件(26)/所述能量转换元件具有两个电极，并且其中，所述存储元件/所述能量转换元件(26)能够通过对应的模块(26)的所述开关(28)的状态而停用，在所述状态中，所述存储元件(26)/所述能量转换元件的所述电极中的至少一个不连接至所述第一端子(16)和所述第二端子(18)中的任一个。
4.根据权利要求3所述的能量存储器直接转换器系统(10)，其中，所述存储元件(26)/所述能量转换元件的所述电极中的一个可通过对应的开关(28)与所述模块(14)的其余部分断开。
5.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储器直接转换器系统(10)，其中，所述模块(14)能够在电流-电压平面的全部四个象限中操作。
6.根据权利要求5所述的能量存储器直接转换器系统(10)，其中，所述模块(14)设计成并且能够致动成，使得两个相邻的模块(14)的所述存储元件(26)/所述能量转换元件能够
-用相同极串联连接，
-用相反极串联连接，
-用相同极并联连接，以及
-用相反极并联连接。
7.所述能量存储器直接转换器系统(10)，其中，所述模块(14)能够仅在所述电流-电压平面的两个象限中操作，并且其中，提供另外电路(34)，通过所述另外电路(34)，串联连接的二象限模块(14)的链的极性可作为整体反转。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的能量存储器直接转换器系统(10)，其中，所述四象限模块(14)至少部分地由至少两个二象限模块的极性可反转的链形成。
9.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储器直接转换器系统(10)，其中，所述模块(14)具有三个或更多个第一端子(16)和第二端子(18)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储器直接转换器系统(10)，其中，所述电桥支路的第一个模块和/或最后一个模块中的至少两个最外端子(16、18)互相连接。
11.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储器直接转换器系统(10)，包括两个电桥支路(12)、三个电桥支路(12)、四个电桥支路(12)、五个电桥支路(12)或更多个电桥支路(12)。
12.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储器直接转换器系统(10)，其中，电桥支路(12)的第一个模块(14)和/或最后一个模块(14)中的至少两个最外端子(16、18)分别连接至邻接的电桥支路(12)的模块(14)的至少两个最外端子(16、18)。
13.根据权利要求11或12中任一项所述的能量存储器直接转换器系统(10)，其中，所述两个电桥支路(12)、三个电桥支路(12)、四个电桥支路(12)、五个电桥支路(12)或更多个电桥支路(12)以星形拓扑或以环形拓扑互连。
14.根据权利要求12和13所述的能量存储器直接转换器系统(10)，其中，两个电桥支路(12)、三个电桥支路(12)、四个电桥支路(12)、五个电桥支路(12)或更多个电桥支路(12)以环形拓扑互连，使得每个桥臂(12)的至少两个最外端子(16、18)分别连接至邻接的桥臂(12)的至少两个最外端子(16、18)，
并且其中，所述控制装置(20)配置为致动所述多个开关(28)的至少一部分，使得至少两个相互独立的环电流能够流过由电桥支路(12)形成的环。
15.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储器直接转换器系统(10)，其中，在所述至少一个电桥支路(12)内，具体地，在一个模块内或者在相邻的模块之间，提供电感器(24)。
16.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储器直接转换器系统(10)，其中，所述开关(28)至少主要由MOS-FET(30)、IGBT、IGCT或晶闸管形成。
17.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储器直接转换器系统(10)，其中，所述存储元件(26)由以下元件中的一个或多个形成：
-电容器，
-电池单元，具体地二次使用的电池，
-氧化还原液流电池。
18.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储器直接转换器系统(10)，其中，所述能量转换元件由太阳能电池、燃料电池或热电偶元件形成。
19.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储器直接转换器系统(10)，其中，所述模块(14)的至少一部分包括存储元件(26)，并且所述模块(14)的至少一部分包括能量转换元件。
20.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储器直接转换器系统(10)，其中，所述模块(14)的一部分具有第一类型的存储元件(26)，并且所述模块(14)的另一部分具有第二类型的存储元件(26)，所述第二类型与所述第一类型不同，其中，所述第一类型和所述第二类型具体地在以下特征中的一个或多个方面不同：
-充电时间，
-内电阻，
-容量。
21.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储器直接转换器系统(10)，其中，所述模块的至少一部分包括存储元件和能量转换元件两者。
22.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储器直接转换器系统(10)，其中，所述控制装置(20)适于识别存储元件(26)将并联连接的模块(14)的组，
其中，所述控制装置设计成根据所述存储元件(26)的当前荷电状态致动所述多个开关(28)的至少一部分，使得在所述组的所述模块(14)并联连接之前，所述模块的电压或荷电状态通过以下方式均衡：
-在充电操作期间优选地给具有较低电压或较低荷电状态的模块(14)或模块子组充电，和/或
-在能量供应模式期间优选地给具有高电压或高荷电状态的模块(14)或模块子组放电。
23.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储器直接转换器系统(10)，其中，所述控制电路(20)配置为通过以下方式确定模块(14)的存储元件(26)的容量：在所述系统的操作期间使所述存储元件(26)完全充电和完全放电，并且检测流入或流出所述存储元件(26)的能量。
24.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储器直接转换器系统(10)，其中，所述控制元件(20)适于通过监测识别故障模块，其中，所述监测包括以下标准中的一个或多个：
-所述存储元件有缺陷吗？
-所述存储元件是短路或开路吗？
-旁路模式可能吗？
-哪些其他开关状态是可能的？
25.根据前述权利要求中任一项所述的能量存储器直接转换器系统(10)，其中，所述控制装置(20)配置为致动所述开关(28)中的至少一些，使得所述系统输出市电电压，具体地1000V或更小的三相市电电压，优选地大约400V的三相市电电压。
26.一种用于车辆的电驱动装置，包括根据前述权利要求中任一项所述的模块化能量存储器直接转换器系统(10)。
27.一种用于生产模块化能量存储器直接转换器系统(10)的方法，具体地用于生产根据权利要求1至26中任一项所述的能量存储器直接转换器系统(10)的方法，包括以下：
提供至少一个电桥支路(12)，所述电桥支路(12)包括相继连接的多个模块(14)，其中，这些模块(14)中的每个包括
-至少两个第一端子(16)和至少两个第二端子(18)，
-用于电能的存储元件(26)或能量转换元件，所述用于电能的存储元件(26)具体为电池，以及
-多个开关(28)，
其中，在所述模块(14)中的两个相邻的模块(14)中的每个中，一个模块的所述第一端子(16)直接地或通过中间部件连接至另一模块(14)的所述第二端子(18)，
提供控制装置(20)，所述控制装置(20)
-配置为接收与所述存储元件(26)的当前荷电状态或所述能量转换元件的电压或输出功率有关的信息，以及
-适于在能量供应模式下根据所述存储元件(26)的所述当前荷电状态或所述能量转换元件的所述当前输出功率或电压致动所述多个开关(28)的至少一部分，使得所述电桥支路(12)作为整体供应期望电压或期望的电压相位，
其中，所述模块(14)设计成并且能够致动成，使得
-模块(14)的所述存储元件(26)或所述能量转换元件能够可选地停用，以及
-由具有停用的存储元件(26)/能量转换元件的至少一个中间模块(14)分隔的两个模块(14)的所述存储元件(26)或所述能量转换元件能够可选地并联和串联连接。
28.根据权利要求27所述的方法，其中二次使用的电池单元用于所述存储元件(26)。
29.一种用于提供期望电压或期望的电压相位的方法，包括以下：
接收与存储元件(26)的当前充电状态或能量转换元件的电压或输出功率有关的信息，所述存储元件(26)和所述能量转换元件包括在多个串联连接的模块(14)中，其中，所述模块(14)中的每个包括
-至少两个第一端子(16)和至少两个第二端子(18)，
-用于电能的存储元件(26)或能量转换元件，所述用于电能的存储元件(26)具体为电池，以及
-多个开关(28)，
其中，在所述模块中的两个相邻的模块(14)中的每个中，一个模块(14)的所述第一端子(16)直接地或通过中间部件连接至另一模块(14)的所述第二端子(18)，
根据所述存储元件(26)的所述当前荷电状态或所述能量转换元件的所述电压的所述当前输出功率致动所述多个开关(28)的至少一部分，使得包括多个所述串联连接的模块(14)的桥臂(12)作为整体供应期望的电压或期望的电压相位，
其中，
-模块的至少一个存储元件(26)或能量转换元件停用，以及
-由具有停用的存储元件/能量转换元件的至少一个中间模块(14)分隔的两个模块(14)的所述存储元件(26)或能量转换元件并联或串联连接。
30.根据权利要求29所述的方法，所述方法被执行以用于操作根据权利要求1至26中任一项所述的模块化能量存储器直接转换器系统(10)。
31.根据权利要求29或30中任一项所述的方法，包括以下步骤：
识别存储元件(26)将并联连接的模块(14)的组，以及
在所述组的模块(14)并联连接之前，通过以下方式来均衡所述组内的模块的电压或荷电状态：
-在充电操作期间优先地给具有较低电压或较低荷电状态的模块(14)或模块子组充电，和/或
-在能量供应模式期间优先地给具有高电压或高荷电状态的模块(14)或模块子组放电。
32.根据权利要求29至31中任一项所述的方法，其中，另外，通过以下方式确定模块(14)的所述存储元件(26)的容量：在所述系统(10)的所述操作期间使所述存储元件(26)完全充电和完全放电，并且检测流入或流出所述存储元件(26)的能量。
33.根据权利要求29至32中任一项所述的方法，其中，通过测试以下标准中的一个或多个识别有缺陷的模块(14)：
所述存储元件有缺陷吗？
所述存储元件是短路或开路吗？
旁路模式可能吗？
哪些其他开关状态是可能的？
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