CN106602636B - 电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电池系统，该电池系统具有：一个电池，其具有至少一个第一电池元件、至少一个第二电池元件、以及位于第一电池元件与第二电池元件之间的中央分接头；具有用于在第一电池元件与第二电池元件之间进行转换的多个切换元件的电源转换开关；以及与电池电连接的至少一对输出端子，其中中央分接头具有安排在其上的一个第一电容存储器，第一电容存储器具有由第一电池元件和/或二电池元件提供的、根据第一电池元件电压和/或第二电池元件电压的存储电压，在出现存储电压的期间，存储电流从最大值降到零值，在存储电流基本为零、且存储电压基本已达到最大值时能够进行多个切换元件中的至少一个切换元件的转换。此外，本发明涉及相应的方法。

Description

电池系统
技术领域
本发明涉及一种电池系统，该电池系统本质上允许无损耗的切换，并提供自动充电均衡。
背景技术
电动驱动的车辆通常配备有为车辆运行提供必要的电力的电池。在此情况下，电池可以是由多个电池元件或电池单元构成的，每个电池元件或电池单元提供相应的电池元件电压。由多个电池元件构成电池的一个问题是在运行过程中的这些电池元件的均匀加载。复杂的电路可以允许电池元件的均匀加载。
此外，不同对的电池分接头之间的转换是一个关键的过程，需要电路设计中的适当预防措施，并且由此产生了成本。转换导致了切换损耗，并且由于有限的转换速度而需要针对切换元件的复杂的保护电路(例如半导体)，保护电路在转换过程中引导过电压并维持电流的流动。另外，转换过程是电波传递引起的电磁兼容性(EMC)问题的一个主要原因。具体地，绝缘栅电极双极晶体管(IGBT)具有缓慢切断响应(所谓的拖尾电流)，并且在多对电池分接头之间的转换中产生长的切换间隙(空闲时间)。在还包括马达逆变器的机动车辆的典型高压电路中，例如，切换损耗超过半导体中的纯电阻性损耗或线路损耗。
在第一个近似值中，切换损耗是由两个分量构成的。第一分量在转换期间与电流和电压大致成正比。由于几百伏的高电压(例如400V或800V)，另外有可能例如在半导体的结电容上有电容电荷逆转作用，由于对电压的二次方依赖性而显著失去重量。可以由以下公式来确定切换损耗：
DE 10 2011 077 664 A1披露了一种能量存储系统，该系统具有多个串联连接的存储装置以及用于使各个存储装置的电量状态均化的装置，其包括至少一个DC/DC电压转换器(DC/DC转换器)。
DE 10 2013 001 466 A1披露了一种具有多个电池单元的电池，其中，每个电池单元都包括放电电路以及用于在未达到各电池单元的临界极限电压时打开放电开关的辅助电路。
DE 10 2014 012 068 A1披露了一种用于加热电池的方法，该电池具有包括多个电池单元的串联电路，其中，该串联电路的起始和终点是经由电容存储器联接的。
EP 2 506 390 A1披露了一种用于具有多个电池单元的电池的电池控制器，其中，每个电池单元都具有一个用于测量电压的关联电路，该电路具有一个电容器。该电池控制器可以根据电量状态而在这些单独的电池单元之间转换。
EP 1 901 412 A2披露了用于具有多个电池单元的电池的电池管理系统，其中，每个电池单元都具有一个用于充电的设备，并且根据电量状态来充电或放电。
EP 2 053 717 A2披露了一种用于具有多个电池单元的电池的放电控制器，其中，每个电池单元都具有一个放电电路以及用于测量电压的设备。另外，在这些不同的电池单元之间存在有切换设备和控制单元。
WO 2013 037 633 A2披露了一种用于在电池系统的电池模块之间均衡电量差异的方法。在此情况下，当电池系统放电时，能量存储在一个中间电路电容器中，并从该中间电路电容器供应至具有低电量状态的电池模块。
从以上第1页示出的公式中可以看出，在转换时刻半导体上的电流和电压就确定切换损耗而言是明确的。如果它们中的一者或二者在切换时对于多个单独的切换元件是小到可以忽略的，就可以有效降低切换损耗，这允许甚至在高切换速度下也保持低的切换损耗。本发明解决的一个目的是至少降低或甚至完全消除切换损耗。
发明内容
这个目的是通过根据下述1所述的电池系统和根据下述14所述的方法来实现的。从说明书以及下述2-13和15-25中将显现多个发展。
1.一种电池系统，具有
-一个电池，该电池具有至少一个第一电池元件、至少一个第二电池元件、以及一个在该至少一个第一电池元件与该至少一个第二电池元件之间的中央分接头，
-一个电源转换开关，该电源转换开关具有用于在该至少一个第一电池元件与该至少一个第二电池元件之间进行转换的多个切换元件，以及
-与该电池电连接的至少一对输出端子，
其中所述至少一个第一电池元件具有第一电池分接头并且所述至少一个第二电池元件具有第二电池分接头，并且所述多个切换元件被配置成动态地或交替动态地将所述至少一对输出端子电连接至所述第一电池分接头、所述第二电池分接头和所述中央分接头；
其中该中央分接头具有安排在其上的一个第一电容存储器，该第一电容存储器具有由该第一电池元件和/或第二电池元件提供的、在相应时期出现的、根据第一电池元件电压和/或第二电池元件电压的存储电压，其中在出现该存储电压的时期期间，存储电流从最大值降到零值，其中在存储电流基本为零、并且存储电压基本上已经达到最大值时能够进行该多个切换元件中的至少一个切换元件的转换，其目的为从该至少一个第一电池元件转换到该至少一个第二电池元件。
2.如上述1所述的电池系统，其中这些切换元件是低频转换开关。
3.如上述1或2所述的电池系统，其中该至少一对输出端子中的至少一个输出端子具有至少一个第一电感器。
4.如上述1至3之一所述的电池系统，其中该至少一对输出端子具有安排在它们之间的第二电容存储器。
5.如上述3和4所述的电池系统，其中该第二电容存储器每次被安排在这些输出端子的对应的至少一个第一电感器的上游或下游。
6.如上述4或5所述的电池系统，其中该第二电容存储器是一种具有正极和负极的极性电容器。
7.如上述4至6之一所述的电池系统，其中该至少一对输出端子的每个输出端子具有一个第二电感器，其中该第二电容存储器被安排在该第一电感器与第二电感器之间。
8.如上述1至7之一所述的电池系统，其中该第一电容存储器具有一个被安排在其上的用于测量存储电压的电压计。
9.如上述8所述的电池系统，其中一个阈值开关被设计成接收测量到的存储电压，其中一旦该存储电压达到上限或下限转换阈值，该阈值开关就指示一个开关控制器来在该多个切换元件中的至少一个切换元件处进行切换。
10.如上述8所述的电池系统，其中微分器被设计成接收并处理该测量到的存储电压的值，其中处理值被转发至一个阈值开关，该阈值开关被设计成一旦该处理值达到上限或下限转换阈值就指示一个开关控制器来在该多个切换元件中的至少一个切换元件处进行切换。
11.如上述8所述的电池系统，其中能够对一个微分器和一个组合逻辑单元提供该测量到的存储电压的值，其中一个开关控制器被设计成针对当前的电路状态下的电池系统的模式确定一个系数、并且针对在转换之后的电路状态下的电池系统的模式确定一个系数，其中该开关控制器被配置成指示这些切换元件或该电源转换开关来设定所确定出的参数较低的电池系统的模式。
12.如上述11所述的电池系统，其中该开关控制器被配置成针对将来一段时间估算该系数。
13.如上述12所述的电池系统，其中该时间段是在未来的约一毫秒到约五秒之间。
14.一种用于电池系统中的至少一个切换元件的低损耗或无损耗转换的方法，该电池系统具有：一个电池，该电池由至少一个第一电池元件、至少一个第二电池元件以及一个中央分接头构成的；具有至少一个切换元件的一个电源转换开关；以及与该电池连接的至少一对输出端子，其中所述至少一个第一电池元件具有第一电池分接头并且所述至少一个第二电池元件具有第二电池分接头，并且所述多个切换元件动态地或交替动态地将所述至少一对输出端子电连接至所述第一电池分接头、所述第二电池分接头和所述中央分接头，并且其中该中央分接头被指配了一个第一电容存储器，该第一电容存储器在相应时间期间上使用由第一电池元件和/或第二电池元件提供的电压元件而被充电至存储电压，其中在存储电压充电期间，存储电流从最大值降到零值，其中在存储电流基本为零、并且存储电压已经基本上达到最大值时出于从至少一个第一电池元件转换到至少一个第二电池元件的目的而执行对该多个切换元件中的至少一个切换元件的转换。
15.如上述14所述的方法，其中使用的这些切换元件是低频转换开关。
16.如上述14或15所述的方法，其中通过在该至少一对输出端子中的至少一个输出端子上安排至少一个电感器，该至少一对输出端子具有其上提供的大致恒定的并且平滑的电压。
17.如上述14至16之一所述的方法，其中该至少一对输出端子具有安排在它们之间的第二电容存储器。
18.如上述16和17所述的方法，其中该第二电容存储器每次被安排在对应的至少一个第一电感器的上游或下游。
19.如上述17或18所述的方法，其中所用的第二电容存储器是一种具有正极和负极的极性电容器。
20.如上述17至19中任一项所述的方法，其中至少一个输出端子具有被安排在其上的至少一个第二电感器，并且该第二电容存储器被安排在该第一电感器与该第二电感器之间。
21.如上述14至20所述的方法，其中该第一电容存储器具有安排在其上的用于测量存储电压的一个电压计。
22.如上述21所述的方法，其中一个阈值开关接收测量到的存储电压，其中一旦该存储电压达到上限或下限转换阈值，该阈值开关就指示一个开关控制器来在该多个切换元件中的至少一个切换元件处进行转换。
23.如上述21所述的方法，其中一个微分器接收并处理测量到的存储电压的值，其中该处理值被转发至一个阈值开关，一旦该处理值达到上限或下限转换阈值，该阈值开关就指示一个开关控制器来在该多个切换元件中的至少一个切换元件处进行转换。
24.如上述21所述的方法，其中该测量到的存储电压的值被提供给一个微分器和一个组合数学单元，其中一个开关控制器针对当前电路状态下的如上述1至13之一所述的电池系统的模式确定一个系数、并且针对转换之后的电路状态下的如上述1至13之一所述的电池系统的模式确定一个系数，其中该开关控制器指示这些切换元件或该电源转换开关来设定所确定出的参数较低的电池系统的模式。
25.如上述24所述的方法，其中该开关控制器针对将来一段时间估算该系数。
旨在要理解的是，接下来，如在本发明的内容中所使用的，术语“电池”涵盖了多种原电池、二次电池和/或电容器，特别地包括薄膜电容器、电解电容器、双层电容器和陶瓷电容器。
根据本发明的电池系统包括
-一个电池，该电池具有至少一个第一电池元件、至少一个第二电池元件、以及一个在该至少一个第一电池元件与该至少一个第二电池元件之间的中央分接头，
-一个电源转换开关，该电源转换开关具有用于在该至少一个第一电池元件与该至少一个第二电池元件之间进行转换的多个切换元件，以及
-与该电池电连接的至少一对输出端子，
其中，该中央分接头具有安排在其上的一个第一电容存储器，该第一电容存储器具有由该第一电池元件和/或第二电池元件提供的、在相应时期出现的、根据第一电池元件电压和/或第二电池元件电压的存储电压，其中，在出现该存储电压的时期期间，存储电流从最大值降到零值，其中，在存储电流基本为零、并且存储电压基本上已经达到最大值时能够进行该多个切换元件中的至少一个切换元件的转换，其目的为从该至少一个第一电池元件转换到该至少一个第二电池元件。
在根据本发明的电池系统的一个实施例中，这些切换元件是低频转换开关。
在根据本发明的电池系统的一个实施例中，该至少一对输出端子中的至少一个输出端子具有至少一个第一电感器。
在根据本发明的电池系统的另一个实施例中，该至少一对输出端子具有安排在它们之间的一个第二电容存储器。
在根据本发明的电池系统的又另一个实施例中，该第二电容存储器每次安排在这些输出端子的对应的至少一个第一电感器的上游或下游。
在根据本发明的电池系统的一个实施例中，该第二电容存储器是具有正极和负极的极性电容器。
在根据本发明的电池系统的另一个实施例中，该至少一对输出端子中的每个输出端子具有一个第二电感器，其中，该第二电容存储器被安排在该第一电感器与该第二电感器之间。
在根据本发明的电池系统的又另一个实施例中，该第一电容存储器具有被安排在其上的用于测量存储电压的电压计。
在根据本发明的电池系统的一个实施例中，阈值开关接收测得的存储电压，其中，一旦该存储电压达到上限或下限转换阈值，该阈值开关就指示开关控制器来在该多个低频转换开关中的至少一个低频转换开关处进行转换。
在根据本发明的电池系统的另一个实施例中，一个微分器接收并处理测量到的存储电压的值，其中，处理过的值可以被转发至一个阈值开关，一旦该处理过的值达到上限或下限转换阈值，该阈值开关就指示一个开关控制器来在该多个低频转换开关中的至少一个低频转换开关处进行切换。
在根据本发明的电池系统的又另一个实施例中，该测量到的存储电压的值可以被提供给一个微分器和一个组合数学单元，其中，一个开关控制器针对当前的电路状态下的电池系统的模式确定一个第一系数、并且针对在转换之后的电路状态下的电池系统的模式确定一个第二系数，其中，该开关控制器被配置成指示这些低频转换开关或该电源转换开关来来设定为所确定出的参数较低的电池系统的模式。
在根据本发明的电池系统的一个实施例中，该开关控制器被配置成针对将来一段时间估算该成本值。
在根据本发明的电池系统的另一个实施例中，该时间段是在未来的约一毫秒到约五秒之间。
此外，提出了一种用于电池系统中的至少一个切换元件的低损耗或无损耗转换的方法，该电池系统具有：一个电池，该电池由至少一个第一电池元件、至少一个第二电池元件以及一个中央分接头构成的；具有至少一个切换元件的一个电源转换开关；以及与该电池连接的至少一对输出端子，其中，该中央分接头被指配了一个第一电容存储器，该第一电容存储器在相应时间期间上使用由第一电池元件和/或第二电池元件提供的电压元件而被充电至存储电压，其中，在存储电压充电期间，存储电流从最大值降到零值，其中，在存储电流基本为零、并且存储电压基本上已经达到最大值时进行该多个切换元件中的至少一个切换元件的转换，其目的为从该至少一个第一电池元件转换到该至少一个第二电池元件。
在根据本发明的方法的一个实施例中，所用的切换元件是低频转换开关。
在根据本发明的方法的另一个实施例中，通过在该至少一对输出端子中的至少一个输出端子上安排至少一个电感器，该至少一对输出端子具有其上提供的大致恒定的并且平滑的电压。
在根据本发明的方法的又另一个实施例中，该至少一对输出端子具有安排在它们之间的一个第二电容存储器。
在根据本发明的方法的一个实施例中，该第二电容存储器每次安排在对应的至少一个第一电感器的上游或下游。
在根据本发明的方法的另一个实施例中，所用的第二电容存储器是一种具有正极和负极的极性电容器。
在根据本发明的方法的又另一个实施例中，至少一个输出端子具有被安排在其上的至少一个第二电感器，并且该第二电容存储器被安排在该第一电感器与该第二电感器之间。
在根据本发明的方法的一个实施例中，该第一电容存储器具有安排在其上的用于测量存储电压的一个电压计。
在根据本发明的方法的另一个实施例中，一个阈值开关接收测量到的存储电压，其中，一旦该存储电压达到上限或下限转换阈值，该阈值开关就指示一个开关控制器来在该多个切换元件中的至少一个切换元件处进行转换。
在根据本发明的方法的又另一个实施例中，一个微分器接收并处理测量到的存储电压的值，其中，该处理值可被转发至一个阈值开关，一旦该处理值达到上限或下限转换阈值，该阈值开关就指示一个开关控制器来在该多个切换元件中的至少一个切换元件处进行转换。
在根据本发明的方法的一个实施例中，该测量到的存储电压的值被提供给一个微分器和一个组合数学单元，其中，一个开关控制器针对当前电路状态下的根据本发明实施例的电池系统的模式确定一个系数、并且针对转换之后的电路状态下的根据本发明实施例的电池系统的模式确定一个系数，其中，该开关控制器指示这些切换元件或该电源转换开关来设定成所确定出的参数较低的、根据本发明的电池系统实施例的模式。
在根据本发明的方法的另一个实施例中，该开关控制器针对将来一段时间估算该系数。
本发明的进一步的优点和发展将从说明书和附图中展现出来。
不言而喻，以上提到的这些特征以及还有待在以下说明的那些特征不但可以在各自指示的组合中使用，而且还可以在其他组合中或者它们单独地使用而不脱离本发明的范围。
附图说明
本发明是在这些附图中基于多个实施例示意性示出的，并且参照附图予以示意性的详细说明。
图1示出了根据本发明实施例的电池系统的基本电路。
图2示出了图1的根据本发明的电池系统的示例性的电路状态。
图3a示出了表示存储电流的时间轮廓的图形。
图3b示出了一个图形，该图形表示了根据图3a的存储电流的轮廓的存储电压的时间轮廓。
图4示出了图1的根据本发明的电池系统的又一个示例性的电路状态。
图5示出了根据本发明的电池系统的又一个实施例。
图6示出了根据本发明的电池系统的又一个实施例，该实施例是图5的电池系统的扩展。
图7示出了根据本发明的电池系统的又一个实施例，该实施例是图6的电池系统的扩展。
图8a示出了根据本发明的电池系统的又一个实施例。
图8b示出了存储电压的时间轮廓的图形。
图9示出了根据本发明的电池系统的又一个实施例。
图10示出了根据本发明的电池系统的又一个实施例。
具体实施方式
以下详细说明提供了对于根据本发明的电池系统以及根据本发明的方法的更详细的说明。
参照图1将呈现根据本发明的电池系统10的基本电路。电池系统10具有电池12。电池12具有第一电池元件12-1和第二电池元件12-2。第一电池元件12-1和第二电池元件12-2可以就它们的部分而言是由多个电池元件或电池单元构成的。第一电池元件12-1和第二电池元件12-2具有安排在它们之间的中央分接头14。此外，电池12具有第一电池分接头16-1和第二电池分接头16-2。中央分接头14具有相关联的电容存储器18。在所示的实施例中，电容存储器18是电容器。从具有中央分接头14和电容器18的电支路中，电连接分支到带有第一电池分接头16-1的电气支路，并且电连接分支到带有第二电池分接头16-2的支路。每个电连接具有两个“放电网络”20，这样使得四个放电网络20连接到电池系统10中。各放电网络20并联对应的切换元件22A至22D。这些切换元件22A至22D限定了电源转换开关26。合适的切换元件原则上是任何类型的电气或电子切换元件，特别是半导体切换元件。
放电网络20代表了切换元件22A至22D的保护电路。因此文献中的其他表示是放电电路或吸收电路。放电网络20防止会在切换元件22A至22D闭合和/或打开时出现的电压尖峰。从文献中已经充分了解了合适的保护电路，这些文献如EP 0 584 622 A1、DD 295 450A5、DE 32 47 707 A1、US 2015/0036253或US 2014/0334201，并且保护电路正在被逐步改进成为具有本发明的优点。
另外，电池系统10的基本电路具有四个输出端子24A至24D。这四个输出端子24A至24D通常是成对的。提供的是，使得输出端子24A和24D形成一对，并且使得输出端子24B和24C形成一对。可以使用切换元件22A至22D来动态地或交替动态地将输出端子24A至24D电连接至电池分接头16-1、16-2、14。
由于电流流入或流出，所以电容存储器18充电使得驱动电流的电压差变成零，其结果是电流也停止和/或方向变换(即改变极性)。此时，可以用最小的损耗来发生转换。驱动电压差在用于对电池12进行充电的充电过程的情况下是例如充电柱的充电电压；电池12放电时，它是例如是作为电池元件电压和电容存储18的总和的vms电压。
因此，该基本电路确保电流在每个开关状态中过一会就停止(或换向)，或跨一个或多个切换元件的电压下降直至变成零。因此，在转换时间期间，如果跨至少一些有待切换的切换元件的电流和/或电压是最小的、或甚至是零，就可以降低或消除切换损耗。这种切换响应通常称为零电压切换(ZVS-即电压是零或接近零)或零电流切换(ZCS-即电流是零或接近零)。在所示的实施例中，本发明提供了使得切换元件在接近于零的电流和/或电压的绝对值处来转换，具体地是在电流和/或电压的、小于对应的额定值的五分之一的绝对值处转换，优选地小于对应的额定值的五十分之一。
图2示出了电池系统10的示例性的切换状态，其中，切换元件22A和22C是激活的，即是闭合的。切换元件22B和22D是去激活的，即是断开的。具有输出端子24B和24C的输出端子对相应地连接至由电池元件12-1提供的电压元件的降低的电压上。在此情况下是电容器的电容存储器18在这种情况下在任何电流下充电或放电。图3a和图3b中示出了电容器18的电流和电压的时间轮廓，段A指示未充电的电容器18的初始范围，并且段B指示待用状态范围。在所示的电路状态中，从电池12中抽取电力，并且电容器18充电，其结果是，切换元件22B和22C之间的共用电路节点的电压在电池12的方向上升高，由箭头30指示。然而，这意味着，跨过断开的开关22B的电压下降，由箭头28表示，并且电池分接头14、16-1上的电压V下降至零。电压V下降的结果是，电流I也下降。如果没有发生转换，则电流I完全停止。
一旦电池分接头14、16-1上的电压或多或少地达到0伏或接近0伏，则只有可忽略不计的电流流动。然而，同时电容器18被基本上准确地充电至电池元件12-1的电压。电容器18充电的持续时间取决于所抽取的电流以及电容器18的电容。如果在这种状态下(即跨过断开的开关22B的电压接近零)发生向电池元件12-2的转换，则来自电池元件12-2的相应电压以及来自电容器18的电压被初始施加到这对输出端子24B、24C上，而电容器18的电压初始对应于电池元件12-1的电压。因此，在对具有两个电池元件12-1、12-2的电池12进行转换的情况下，这对输出端子24B、24C上的“开始值”是可由电池12提供的全部电压。为了将具有输出端子24B、24C的输出端子对连接至电池元件12-2，会需要断开切换元件22A和22C，并且需要闭合切换元件22B和22D。
然而，在新的切换状态下，电容器18的充电反转，其结果是，电压初始下降，并以相反的极性对电容器18再次充电，如可在图3b中所见的，其中，电压轮廓是针对横坐标17上的时间绘制在坐标13上的。直到电容器18上的电流已经停止，这才会发生，见图3a，在此图中，电流轮廓是针对横坐标11上的时间绘制在坐标15上的。如果在图3a中考虑电流的绝对值，该轮廓对应于输出端子对24B、24C的电流，并对应于输出端子对24B、24C的电压。
图4示出了电池系统10的基本电路的又一电路状态。在所示的电路状态的情况下，切换元件22A和22D是激活的，即是闭合的，并且切换元件22B和22C是去激活的，即是断开的。在这种电路状态下，这对输出端子24B、24C不仅可以连接至电池元件12-1、12-2的电压元件，还可以连接至电池12的完整电压。在此情况下，虚线32-1和32-2表示电流路径，并且表明输出端子24B、24C与电池分接头16-1和16-2电连接，以用于提供完整的电池电压的目的。
除了在电流较小、甚至已经停止时对切换元件22A至22D的这种转换之外，作为其结果，几乎可以任意地降低切换损耗，电池12的电容耦合的结果是，自动地均匀加载电池元件12-1、12-2，而无需复杂的基于电量的调节。此外，在足够高的切换速度下，可以使用非常小的且不贵的电容器来作为电容存储器18。较高切换速度另外具有的优点是，电池管理系统并不检测电池元件12-1、12-2上的相对较长的、不均匀的加载和采取适当的对策。首先，高切换速度的意思是，这些对应的电量抽取或加载非常小，并且其次，电池元件12-1、12-2的不均匀充电或放电的持续时间太短，以至于其甚至可能低于典型的电池管理系统的平均测量滤波器。尤其是在通常会有长拖尾电流或关断时的反向恢复效应(例如IGBT)的半导体切换元件的情况下，转换处理过程中的小电流满足迅速且低损耗转换的需要，这用这些元件在其他情况下是不能实现的。停止的电流另外允许将半导体用作切换元件22A、22B、22C、22D，它们不能被电子地关断，而是需要电流换向来关断，例如晶闸管/SCR或三端双向可控硅元件。
尽管电池12是分体的，即是量化的，但根据本发明的电池系统10可用于产生小于这些输出端子对24A至24D上的这两个电池元件12-1、12-2的总和的任意的电压。从当前电池元件与先前电池元件的电压总和移动至零的电容器18的充电曲线意味着，通过合适地在曲线的特定位置处的转换就可以在时间上平均地产生其他电压。为此目的所需的调节对应于在输出处的纯电压调节，并且因此是非常便宜的。不需要测量电流。然而，产生由电池元件12-1、12-2提供的电压仍然是最简单的。
旨在要理解的是，提出的电池系统10还可用于任何数量的电池元件，这样还可以通过多个幅值对应的中央分接头来提供具有不同幅值的电压元件以及任何数量的成对的输出端子。甚至在这种扩展的电池系统的情况下，该电容耦合也满足电池元件的自动的均匀加载的要求。
图5示出了从电池系统10扩展的电池系统50，该系统将交替电压与输出端子24A至24D分离开以产生均匀的输出电压。为此，电池系统50另外在输出端子24B和24C上对应地具有电感器34。输出端子24B或24C上的电感器34应足以产生均匀的输出电压，但是更有利的是在每个输出端子24B、24C上具有对应的电感器34的对称设计。电池系统50有利地用于将电压波动于这对输出端子24B、24C解耦，这在这对输出端子24B、24C上提供了平稳的且接近恒定的电压、以及由此的与其相连的负荷(或用于使电池充电的充电柱)。由于电池系统50中的合适的电流调节，在这对输出端子24B、24C上有恒定电流可供使用。在一些情况下，电感器34与电容器18可一起用于形成振荡器，振荡器使其能够不依赖于负载电流地设置转换持续时间。
图6示出了从图5的电池系统50的扩展的电池系统60。连接在输出端子24B、24C之间附加电容器36可用于额外地使得电压波动均等化。原则上，图6中的电容器36还可被安排在电感器24的左侧，但如果发生高突发电压变化的话(见图3a和3b)，这会导致每次转换过程电容器36中较慢的均等化电流。此外，然后产生的高电流峰值可能在切换元件22A至22D上施加更大的压力。提供的是，使得电容器36能够被极化，即例如电容器36的阳极表示负极，并且电容器36的阴极表示正极。电容36和电感器34的组合允许更准确地设定换向和切换动态特性。在此情况下，当前激活的终端对24B、24C的电感器34和当前激活的电池分接头的电容器18(在多于两个电池元件12-1、12-2的情况下)形成了串联谐振电路，其半周期持续时间确定了转换速度，并且另外导致这些输出端子24A至24D上的相对平稳的电流和/或电压轮廓。
图7示出了从图6的电池系统60的扩展的电池系统70。电池系统70另外在这些输出端子24B和24C的每一者上具有第二电感器35。这产生了具有两个电感器34、35和一个电容器36的所谓的LCL结构。还有可能只在输出端子24B或24C上安排一个第二电感器35。然而，在每个输出端子24B和24C上有两个第二电感器35的对称设计是有利的。电感器34、35满足电流均匀流动的要求。
对于不是纯电阻性的和连接到输出端子24A至24D的负载，特别是有存储能力(例如电感器和/或电容器)的负载而言，电流过零和电压过零并不一定同时发生。为了减小损耗，控制器可以优选地对转换过程使用电流过零或电压过零的两个时间中的一者。只有小电流和/或电压的、通过一个或多个相关切换元件22A至22D的转换还以显著程度提高了效率。在此情况下，术语“小电流”或“小电压”意味着比电路中没有根据本发明的ZCS或ZVS能力的系统会呈现出的额定电流或额定电压更小的电流或电压。本发明提供了，当跨过对应的切换元件的电流和/或电压的绝对值接近零时，即当该绝对值低于该额定值的五分之一时，优选地低于该额定值的五十分之一时，发生切换过程。
因此，图8a示出了具有电压调节的电池系统80。为此，图1的根据本发明的电池系统10已经扩展有电压计38、阈值开关40和开关控制器42，以实现电池系统80。在此情况下，电压计38测量跨电容器18呈现的电容器电压的值。电容器电压的测量值被转发给接收该值的阈值开关40。阈值开关40被设计成当电容器电压达到上转换阈值43或下限转换阈值44时向开关控制器42发送转换信号，如图8b所示。图8b示出了上转换阈值43与下转换阈值44之间的电容器电压的时间轮廓(在坐标13上)。该转换信号对开关控制器42指明需要将切换元件22A至22D适当进行切换，以便转换成不同的电池元件12-1、12-2。在此情况下，上转换阈值与下转换阈值43、44之间有容差带45，该容差带例如刚好在由相关电池元件12-1、12-2提供的电压元件以下。
可以使用图8所示的实施例的电池系统80来使用电压来调节转换。
图9示出了电池系统90，该电池系统具有允许针对小电流或停止电流的特定转换的调节器。为此，电池系统90具有附加微分器46，现在是该附加微分器而不是阈值开关40从电压计38接收电容器电压的测量值。因为通过电容器18的电流的流动是与电压的时间导数成比例的，微分器46提供流过该电容器的电流的值。然后阈值开关40接收这个值，其进而指示开关控制器42来对切换元件22A至22D进行切换，以便导致转换至针对小电流或停止电流(即针对接近零的电流)的相应不同的电池元件12-1、12-2。提供的是，对于低于电流额定值的五分之一(尤其具体地是低于五十分之一)的电流绝对值，发生切换元件的切换过程。
图10示出了电池系统100，该电池系统在一定程度上是图8的电池系统80以及图9的电池系统90的组合。由电压计38测量的电容器电压的值被微分器46和组合逻辑单元48接收。微分器46提供的电流值在此情况下用作停止值，以便优选地只在接近零的低电流下进行转换。在此情况下，在低电流的情况下还可以高转换速度实现转换。
在此提醒，应再次指出的是在高电流转换产生电流损耗，并且热量形式的能量损耗增加。两种损耗都产生了成本。电池12的充电与放电和/或加载中的不平衡也产生成本，这成本例如是由电池元件12-1、12-2的具体放电以产生均衡(平衡)所产生的结果。开关控制器42被设计成计算指示哪种变化更便宜的系数，即产生低成本。该系数因而指示是否转换到不同电池元件12-1、12-2会产生与继续保持在现有电路状态的成本相比更低的成本，或是否现有的电路状态产生的成本低于转换至不同的电池元件12-1、12-2的成本。如果达到成本优势，开关控制器42就提示转换。
这个系数可以具有预测性设计，即所计算的系数是针对将来特定时间范围评定的。这种时间范围可以是几毫秒到几秒。在此情况下，对未来的评估在电池12处于充电模式下是基于几乎恒定不变的电流的、并且当通过与输出端子24A至24D连接的动态负载从电池12中抽取电力时其基于这些负载的平均功率。
根据本发明的呈现的电池系统10、50、60、70、80、90、100允许使用不会主动断开、但是允许高功率密度和低损耗的半导体，这是因为换向导致了自动断开。这类半导体元件的实例是晶闸管、三端双向可控硅元件等。
因为在转换过程之前缓慢降低的电流和/或电压，在转换过程中就没有会引起电磁波的电容性或电感性发射的较大的电流和/或电压瞬变。在此情况下指的是电磁兼容性或电磁干扰。相比之下，ZCS/ZVS电路的良好定义的并且较慢的动态特性限定了切断响应，考虑到较小的时间导数，这种响应可成形为较低的幅值量级。
这些动力开关的几乎无电流和/或无电压的转换还意味着，不需要在转换过程中通过保护电路来保持明显的电流以使得不会破坏相关的切换元件，和/或由于该转换时的低电压而使与该半导体切换元件的最大断电电压之间的间隔如此之大而使这种情况的危害小的多。
在转换时在切换元件上以低电流和/或电压的转换通过大于1的系数有效降低了切换损耗，并且出于可以忽略不计的较低的切换损耗而允许较高的转换速度。由于电池分接头14到无切换损耗响应的这种电容性耦合，电容存储器18在这些单独的电池分接头14、16-1、16-2处的电量抽取施行了几乎完美的均衡。具体地，在随时间波动较大的负载电流情况下发生这种电量均衡。

Claims (25)

1.一种电池系统(10，50，60，70，80，90，100)，具有
-一个电池(12)，该电池具有至少一个第一电池元件(12-1)、至少一个第二电池元件(12-2)、以及一个在该至少一个第一电池元件与该至少一个第二电池元件(12-1，12-2)之间的中央分接头(14)，
-一个电源转换开关(26)，该电源转换开关具有用于在该至少一个第一电池元件(12-1)与该至少一个第二电池元件(12-2)之间进行转换的多个切换元件(22A，22B，22C，22D)，以及
-与该电池(12)电连接的至少一对输出端子(24A，24B，24C，24D)，
其中所述至少一个第一电池元件(12-1)具有第一电池分接头
(16-1)并且所述至少一个第二电池元件(12-2)具有第二电池分接头(16-2)，并且所述多个切换元件(22A，22B，22C，22D)被配置成动态地或交替动态地将所述至少一对输出端子(24A，24B，24C，24D)电连接至所述第一电池分接头(16-1)、所述第二电池分接头(16-2)和所述中央分接头(14)；
其中该中央分接头(14)具有安排在其上的一个第一电容存储器(18)，该第一电容存储器具有由该第一电池元件和/或第二电池元件(12-1，12-2)提供的、在相应时期出现的、根据第一电池元件电压和/或第二电池元件电压的存储电压，其中在出现该存储电压的时期期间，存储电流从最大值降到零值，其中在存储电流基本为零、并且存储电压基本上已经达到最大值时能够进行该多个切换元件(22A，22B，22C，22D)中的至少一个切换元件的转换，其目的为从该至少一个第一电池元件(12-1)转换到该至少一个第二电池元件(12-2)。
2.如权利要求1所述的电池系统(10，50，60，70，80，90，100)，其中这些切换元件(22A，22B，22C，22D)是低频转换开关。
3.如权利要求1或2所述的电池系统(10，50，60，70，80，90，100)，其中该至少一对输出端子中的至少一个输出端子(24A，24B，24C，24D)具有至少一个第一电感器(34)。
4.如权利要求3所述的电池系统(10，50，60，70，80，90，100)，其中该至少一对输出端子具有安排在它们之间的第二电容存储器(36)。
5.如权利要求4所述的电池系统(10，50，60，70，80，90，100)，其中该第二电容存储器(36)每次被安排在这些输出端子的对应的至少一个第一电感器(34)的上游或下游。
6.如权利要求4或5所述的电池系统(10，50，60，70，80，90，100)，其中该第二电容存储器(36)是一种具有正极和负极的极性电容器。
7.如权利要求4或5所述的电池系统(10，50，60，70，80，90，100)，其中该至少一对输出端子的每个输出端子(24A，24B，24C，24D)具有一个第二电感器(35)，其中该第二电容存储器(36)被安排在该第一电感器与第二电感器(34，35)之间。
8.如权利要求1或2所述的电池系统(10，50，60，70，80，90，100)，其中该第一电容存储器(18)具有一个被安排在其上的用于测量存储电压的电压计(38)。
9.如权利要求8所述的电池系统(10，50，60，70，80，90，100)，其中一个阈值开关(40)被设计成接收测量到的存储电压，其中一旦该存储电压达到上限或下限转换阈值(43，44)，该阈值开关(40)就指示一个开关控制器(42)来在该多个切换元件(22A，22B，22C，22D)中的至少一个切换元件(22A，22B，22C，22D)处进行切换。
10.如权利要求8所述的电池系统(10，50，60，70，80，90，100)，其中微分器(46)被设计成接收并处理该测量到的存储电压的值，其中处理值被转发至一个阈值开关(40)，该阈值开关被设计成一旦该处理值达到上限或下限转换阈值(43)就指示一个开关控制器(42)来在该多个切换元件(22A，22B，22C，22D)中的至少一个切换元件处(22A，22B，22C，22D)进行切换。
11.如权利要求8所述的电池系统(10，50，60，70，80，90，100)，其中能够对一个微分器(46)和一个组合逻辑单元(48)提供该测量到的存储电压的值，其中一个开关控制器(42)被设计成针对当前的电路状态下的电池系统(10，50，60，70，80，90，100)的模式确定一个系数、并且针对在转换之后的电路状态下的电池系统(10，50，60，70，80，90，100)的模式确定一个系数，其中该开关控制器(42)被配置成指示这些切换元件(22A，22B，22C，22D)或该电源转换开关(26)来设定所确定出的参数较低的电池系统(10，50，60，70，80，90，100)的模式。
12.如权利要求11所述的电池系统(10，50，60，70，80，90，100)，其中该开关控制器(42)被配置成针对将来一段时间估算该系数。
13.如权利要求12所述的电池系统(10，50，60，70，80，90，100)，其中该时间段是在未来的约一毫秒到约五秒之间。
14.一种用于电池系统(10，50，60，70，80，90，100)中的至少一个切换元件(22A，22B，22C，22D)的低损耗或无损耗转换的方法，该电池系统具有：一个电池(12)，该电池由至少一个第一电池元件(12-1)、至少一个第二电池元件(12-2)以及一个中央分接头(14)构成的；具有至少一个切换元件(22A，22B，22C，22D)的一个电源转换开关(26)；以及与该电池(12)连接的至少一对输出端子(24A，24B，24C，24D)，其中所述至少一个第一电池元件(12-1)具有第一电池分接头(16-1)并且所述至少一个第二电池元件(12-2)具有第二电池分接头(16-2)，并且所述多个切换元件(22A，22B，22C，22D)动态地或交替动态地将所述至少一对输出端子(24A，24B，24C，24D)电连接至所述第一电池分接头(16-1)、所述第二电池分接头(16-2)和所述中央分接头(14)，并且其中该中央分接头(14)被指配了一个第一电容存储器(18)，该第一电容存储器在相应时间期间上使用由第一电池元件和/或第二电池元件(12-1，12-2)提供的电压元件而被充电至存储电压，其中在存储电压充电期间，存储电流从最大值降到零值，其中在存储电流基本为零、并且存储电压已经基本上达到最大值时出于从至少一个第一电池元件(12-1)转换到至少一个第二电池元件(12-2)的目的而执行对该多个切换元件(22A，22B，22C，22D)中的至少一个切换元件的转换。
15.如权利要求14所述的方法，其中使用的这些切换元件(22A，22B，22C，22D)是低频转换开关。
16.如权利要求14或15所述的方法，其中通过在该至少一对输出端子中的至少一个输出端子(24A，24B，24C，24D)上安排至少一个电感器(34)，该至少一对输出端子(24A，24B，24C，24D)具有其上提供的大致恒定的并且平滑的电压。
17.如权利要求16所述的方法，其中该至少一对输出端子具有安排在它们之间的第二电容存储器(36)。
18.如权利要求17所述的方法，其中该第二电容存储器(36)每次被安排在对应的至少一个第一电感器的上游或下游。
19.如权利要求17或18所述的方法，其中所用的第二电容存储器(36)是一种具有正极和负极的极性电容器。
20.如权利要求17或18所述的方法，其中至少一个输出端子(24A，24B，24C，24D)具有被安排在其上的至少一个第二电感器(35)，并且该第二电容存储器(36)被安排在该第一电感器与该第二电感器(34，35)之间。
21.如权利要求14或15所述的方法，其中该第一电容存储器(18)具有安排在其上的用于测量存储电压的一个电压计(38)。
22.如权利要求21所述的方法，其中一个阈值开关(40)接收测量到的存储电压，其中一旦该存储电压达到上限或下限转换阈值(43，44)，该阈值开关(40)就指示一个开关控制器(42)来在该多个切换元件(22A，22B，22C，22D)中的至少一个切换元件(22A，22B，22C，22D)处进行转换。
23.如权利要求21所述的方法，其中一个微分器(46)接收并处理测量到的存储电压的值，其中该处理值被转发至一个阈值开关(40)，一旦该处理值达到上限或下限转换阈值(43，44)，该阈值开关就指示一个开关控制器(42)来在该多个切换元件(22A，22B，22C，22D)中的至少一个切换元件(22A，22B，22C，22D)处进行转换。
24.如权利要求21所述的方法，其中该测量到的存储电压的值被提供给一个微分器(46)和一个组合数学单元，其中一个开关控制器(42)针对当前电路状态下的如权利要求1至13之一所述的电池系统(10，50，60，70，80，90，100)的模式确定一个系数、并且针对转换之后的电路状态下的如权利要求1至13之一所述的电池系统(10，50，60，70，80，90，100)的模式确定一个系数，其中该开关控制器(42)指示这些切换元件(22A，22B，22C，22D)或该电源转换开关(26)来设定所确定出的参数较低的电池系统(10，50，60，70，80，90，100)的模式。
25.如权利要求24所述的方法，其中该开关控制器(42)针对将来一段时间估算该系数。
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