CN107078530B - 改进的双蓄电池组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种蓄电池组件，其包括：第一数量的串联的第一电荷储存单元；第二数量的串联的第二电荷储存单元；第三数量的串联的第三电荷储存单元；和－第一变换器，在该第一变换器的第一端子对上连接有所述第三数量的串联的第三电荷储存单元，第一变换器的第二端子对与所述第一数量的串联的第一电荷储存单元串联连接，由所述第一数量的第一电荷储存单元和第一变换器构成的串联电路与所述第二数量的第二电荷储存单元并联连接，第一变换器构造用于变换由所述第三数量的串联的第三电荷储存单元输出的电压和/或由所述第三数量的串联的第三电荷储存单元输出的电流并且将其在第二端子对上输出，并且－所述第二数量的串联的第二电荷储存单元的最低电位构成蓄电池组件的第一端子，并且所述第二数量的串联的第二电荷储存单元的最高电位构成蓄电池组件的第二端子。

Description

改进的双蓄电池组件
技术领域
本发明涉及一种改进的双蓄电池组件，其包括对于高的电容量进行优化的电池单元和对于高的功率输出进行优化的电池单元。
背景技术
为了在车辆内电化学蓄能器中的功率缩放，将电容量优化的蓄电池单元和功率优化的蓄电池单元或双层电容器混合安装在蓄电池组件中，这在现有技术中也称为双储存器。通常，一串或多串电容量优化的电池单元并联于一串或多串功率优化的电池单元。这些串通常借助直流/直流变换器耦合，该直流/直流变换器与所述串并联连接。直流/直流变换器补偿在各串之间的不同电压。
DE 20 2009 017 862 U1和DE 20 2008 017 499 U1描述了电池的并联电路。
现有技术的缺点在于，直流/直流变换器必须针对所连接串的最大峰值功率进行设计。这种类型的直流/直流变换器是复杂的并且导致高的成本。
发明内容
本发明的任务在于提供一种改进的蓄电池组件，其包括对于电流输出优化的电池单元和在电容量方面最大化的电池单元。
本发明的任务通过包括第一数量的串联的第一电荷储存单元、第二数量的串联的第二电荷储存单元和第三数量的串联的第三电荷储存单元的蓄电池组件来解决。根据本发明，所述蓄电池组件包括第一变换器，在该第一变换器的第一端子对上连接所述第三数量的串联的第三电荷储存单元。第一变换器的第二端子对与所述第一数量的串联的第一电荷储存单元串联连接。由所述第一数量的第一电荷储存单元和第一变换器构成的串联电路与所述第二数量的第二电荷储存单元并联连接。第一变换器构造用于变换由所述第三数量的串联的电荷储存单元输出的电压和/或由所述第三数量的串联的电荷储存单元输出的电流并且将其在第二端子对上输出。所述第二数量的串联的第二电池单元的最低电位构成蓄电池组件的第一端子，所述第二数量的串联的第二电池单元的最高电位构成蓄电池组件的第二端子。
蓄电池组件可例如通过接触器连接到逆变器上，在该逆变器上可连接有电机。
根据本发明，第一变换器——其可代替现有技术中的直流/直流变换器——并非与整个电池单元串并联连接，而是仅与串联的电荷储存单元串的一部分并联连接。因此，第一变换器无须针对最大峰值功率进行设计，而是仅须针对部分峰值功率进行设计，该部分峰值功率可借助于蓄电池组件的第三电荷储存单元输出。
蓄电池组件还可包括第二变换器，该第二变换器的第一端子对连接到电源、尤其是第二数量的第二电荷储存单元上，并且该第二变换器的第二端子对连接到第三数量的第三电荷储存单元上。第二变换器构造用于将电荷由电源、尤其是第二数量的第二电荷储存单元传输到第三数量的第三电荷储存单元。借助于第二变换器可对第三电荷储存单元充电和/或放电。电源可以是处于发电机运行中的电机、任意的充电器或电化学蓄能器。
蓄电池组件可包括第三变换器和第四数量的串联的第四电荷储存单元，所述第四电荷储存单元连接到第三变换器的第一端子对上。第三变换器的第二端子对与第二数量的第二电荷储存单元串联连接。第三变换器构造用于变换由第四数量的串联的电荷储存单元输出的电压和/或由第四数量的串联的第四电荷储存单元输出的电流并且将其在第三变换器的第二端子对上输出。借助于第一变换器可调节：是从第一数量的串联的第一电荷储存单元和第三数量的串联的第三电荷储存单元输出更多电荷，还是从第二数量的串联的第二电荷储存单元输出更多电荷。借助于第三变换器可调节通过第二数量的串联的第二电荷储存单元和第四数量的串联的第四电荷储存单元产生的电压。由此可调节中间电路电压，该中间电路电压存在于蓄电池组件的第一端子和第二端子之间。通过所获得的可调节的中间电路电压的自由度，驱动系统可以有效系数优化地运行并且还可扩大电机的电枢调节范围(Ankerstellbereich)。
蓄电池组件还可包括控制装置，该控制装置构造用于当连接到蓄电池组件上的机器在预定的时间段上在动态运行状态中比在静态运行状态中具有更高的电流消耗时这样控制第一变换器，使得电荷由第一数量的串联的第一电荷储存单元和第三数量的串联的第三电荷储存单元输出。控制装置也可构造用于当电机在预定的时间段上具有恒定的电流消耗时这样控制第一变换器，使得电荷仅由第二数量的串联的第二电荷储存单元输出。该运行情况在如下情况下是重要的：第二电池单元设计成使得它们具有尽可能高的电容量并且第一和第三电池单元设计用于尽可能高的电流输出。动态运行状态可以是在预定的时间段上提高的转矩输出、例如车辆加速。
在动态运行情况下，电荷可由第一数量的串联的第一电荷储存单元、第二数量的串联的第二电荷储存单元和第三数量的串联的第三电荷储存单元输出。
控制装置可构造用于当电机在预定的时间段上在动态运行状态中比在静态运行状态中具有更高的电流消耗时这样控制第一变换器，使得第一变换器和第一数量的第一电荷储存单元的输出电压之和高于第二数量的串联的第二电荷储存单元的空载电压。当电机在预定的时间段上例如在静态运行状态中具有恒定的功率消耗时，控制装置可这样控制第一变换器，使得第一变换器和第一数量的第一电荷储存单元的输出电压之和低于第二数量的第二电荷储存单元的空载电压。
控制装置也可构造用于当电机在动态运行状态中在预定的时间段上具有较高的电流消耗时这样控制第一变换器，使得电荷由第二数量的串联的第二电荷储存单元输出。当在预定的时间段上实现恒定的功率消耗时，第一变换器可被控制装置这样控制，使得电荷仅由第一数量的串联的第一电荷储存单元和第三数量的串联的第三电荷储存单元输出。该运行情况在如下情况下是重要的：第二电荷储存单元设计用于尽可能高的电流输出并且第一和第三电荷储存单元设计用于尽可能高的电容量。当然，在动态运行状态期间电荷可由第一数量的第一电荷储存单元、第二数量的第二电荷储存单元和第三数量的第三电荷储存单元输出。
控制装置可构造用于当电机在预定的时间段上在动态运行状态期间具有较高的电流消耗时这样控制第一变换器，使得第一变换器和第一数量的串联的第一电荷储存单元的输出电压之和高于第二数量的串联的第二电荷储存单元的空载电压。当电机在预定的时间段上在静态运行状态中具有恒定的功率消耗时，控制装置可这样控制第一变换器，使得第一变换器和第一数量的第一电荷储存单元的输出电压之和低于第二数量的第二电荷储存单元的空载电压。
控制装置可构造用于当连接在蓄电池组件上的电机在预定的时间段上具有较高的电流消耗时这样控制第三变换器，使得电荷由第一数量的串联的第一电荷储存单元输出，并且当电机在预定的时间段上具有恒定的电流消耗时这样控制第三变换器，使得电荷由第二数量的串联的第二电荷储存单元和第四数量的串联的第四电荷储存单元输出。该运行情况在如下情况下是重要的：第一和第三电荷储存单元对于尽可能高的电流输出进行优化，并且第二和第四电荷储存单元对于尽可能高的电容量进行优化。
控制装置可构造用于这样控制第二变换器，使得电荷由第二数量的第二电荷储存单元输出并供应给第三数量的第三电荷储存单元。因此，控制装置可控制第三数量的串联的第三电荷储存单元的补充充电。
与第二电荷储存单元和第四电荷储存单元相比，第一电荷储存单元和第三电荷储存单元设计或优化用于较高的电流输出或较短暂的电流输出。与第一电荷储存单元和第三电荷储存单元相比，第二电荷储存单元和第四电荷储存单元可设计或优化用于较高的电容量。第一电荷储存单元和第三电荷储存单元可具有电容器、如所谓的超级电容器(Supercup)、双层电容器或类似物。第二电荷储存单元和第四电荷储存单元可具有蓄电池、如锂离子蓄电池或类似物。
第三电荷储存单元的数量小于第一电荷储存单元的数量的大约25％、优选大约20％、最优选大约10％。由此，第一变换器无须设计得那么大功率，由此该第一变换器可更低成本地制造并且在车辆或蓄电池组件中需要更少的安装空间。
本发明还涉及一种用于车辆的驱动系统，该驱动系统具有电驱动装置，该电驱动装置包括上面所描述的蓄电池组件、逆变器和电机，蓄电池组件的形成中间电路电压的端子通过接触器连接到逆变器的直流端子上并且电机连接到逆变器的交流端子上。电机可用作驱动马达和/或发电机。
控制装置可构造用于其在发电机运行中这样操控第二变换器，使得该控制装置在为设计用于较高电容量的电荷储存单元充电之前先为设计用于较高电流输出的电荷储存单元充电。控制装置可这样设计，使得其优选为第一数量的串联的第一电荷储存单元和第三数量的串联的第三电荷储存单元充电。
当然，控制装置构造用于这样操控第一变换器，使得当电机应输出转矩时同时从第一数量的串联的第一电荷储存单元、第三数量的串联的第三电荷储存单元和第二数量的第二电荷储存单元输出能量，或者当电机应作为发电机工作时向这些电荷储存单元供应能量。尤其是在高负载情况下，电荷由第一数量的串联的第一电荷储存单元、第二数量的串联的第二电荷储存单元和第三数量的串联的第三电荷储存单元同时输出。在部分负载情况下电荷仅由第二数量的串联的第二电荷储存单元输出。
优选地，第一电荷储存单元和第三电荷储存单元设计或优化用于较高的电流输出。由此可降低在持续运行中可能通过第一变换器产生的蓄电池组件或驱动系统的损耗。
附图说明
现在参考附图借助于非限制性的实施方式阐述本发明。在附图中：
图1示出本发明的第一种实施方式的电路图；
图2示出本发明的第一种实施方式的布线细节；
图3示出本发明的第一种实施方式的其它布线细节；
图4示出本发明的第一种实施方式的扩展方案；
图5示出本发明的第二种实施方式；
图6示出本发明的第三种实施方式；以及
图7示出现有技术的蓄电池组件。
具体实施方式
图7示出现有技术的蓄电池组件1，该蓄电池组件具有输出端子14，在这些输出端子上连接有逆变器12，在该逆变器的交流端子16上连接有电机18。现有技术的蓄电池组件1包括第一电荷储存单元4、如电容器的第一串联电路2，这些第一电荷储存单元设计用于高的电流输出。第一电荷储存单元4的第一串联电路2连接到直流/直流变换器10上，该直流/直流变换器连接到第二电荷储存单元8的第二串联电路6上，这些第二电荷储存单元针对高的电容量进行优化。第二电荷储存单元8例如可以是锂离子电池。第二电荷储存单元8的第二串联电路6形成中间电路电压并且连接到逆变器12的直流侧的输入端14上。
直流/直流变换器10必须这样设计，使得其能变换可由第一电荷储存单元的第一串联电路2输出的所有功率，由此该直流/直流变换器制造成本高并具有高的空间需求。
参照图1对按本发明的蓄电池组件100的第一种实施方式进行说明。蓄电池组件100包括多个第一电荷储存单元104的第一串联电路102。第一直流/直流变换器110的输出端子与第一串联电路104串联连接。在第一直流/直流变换器110的输入端子上连接有第三数量108的第三电荷储存单元106。蓄电池组件100还包括第二数量112的第二电荷储存单元114。第二数量112的第二电荷储存单元114与由第一直流/直流变换器110和第一电荷储存单元的第一串联电路102构成的串联电路并联连接。第二电荷储存单元114的第二串联电路112的输出电压形成所谓的中间电路电压，该第二串联电路连接到逆变器118的直流端子116上，该逆变器的输出端子120连接到电机122上。
第二电荷储存单元114设计用于高的电容量并且例如由锂离子电池构成。第一电荷储存单元104和第三电荷储存单元108设计用于快速的和高的电流输出并且例如由电容器构成。
在图1中所示的蓄电池组件100中，第二串联电路112包括96个第二电荷储存单元114。第一串联电路102包括80个第一电荷储存单元104。第三电荷储存单元108的第三串联电路106包括16个电荷储存单元。因此，仅16个第三电荷储存单元108连接到第一直流/直流变换器110上。因此，与在图7中所示的现有技术相比，在第一直流/直流变换器110的输入端子上仅存在六分之一电压。因此，第一直流/直流变换器110可设计得明显弱于现有技术中所需的。由此，一方面降低了按本发明的蓄电池组件110的制造成本并且另一方面也改善了效率，因为具有较低的施加于其上的电压的直流/直流变换器110具有通常较低的绝对损耗功率，由此，蓄电池组件100的有效功率因此也得以提高。此外降低了空间需求。
现在参考图2和3更详细地说明第一种实施方式的作用方式。图1的第二串联电路112通过由直流电源103a和串联于其中的内电阻103b构成的等效电路图103替换。第一串联电路102产生大小为328V的电压。第三电荷储存单元108的第三串联电路106产生66V的输入电压。当不应从第一电荷储存单元104和第二电荷储存单元108输出电流时(例如因为车辆以恒定速度运动并且电机不需要功率)，第一直流/直流变换器110必须补偿360V－328V＝32V的电压差。因此，在第一直流/直流变换器的输出端子上存在32V的输出电压。
图3示出这样的状态，在其中应通过第一电荷储存单元的第一串联电路102以及通过第一直流/直流变换器110输出电流I1。为此，在第一直流/直流变换器110的输出端子上必须存在33V的电压U1。在图3中所示的状态中第三数量106的第三电荷储存单元108的电压是66V。在第三数量的第三电荷储存单元108中的电流I2按如下方式计算：
Figure GDA0002217386610000081
其中，η是第一直流/直流变换器的有效系数。
因此，在第三数量106的第三电荷储存单元108中流动的电流I2取决于第一直流/直流变换器的有效系数η。因此，第一电荷储存单元104的第一串联电路102的充电状态不同于第三电荷储存单元108的第三串联电路106的充电状态。由此，第三电荷储存单元108的第三串联电路106必须与第一电荷储存单元104的第一串联电路102分开地充电。
参考示出了本发明的第二种实施方式的图4，该第二种实施方式大致相应于在图1至3中所示的第一种实施方式。为了简明起见，下面仅对第二种实施方式附加于第一种实施方式所包含的部件进行说明。按本发明的蓄电池组件100'的第二种实施方式附加于第一种实施方式包括第二直流/直流变换器130，该第二直流/直流变换器的输出端子连接到第三电荷储存单元108的第三串联电路106上。第二直流/直流变换器130的输入端子连接到第二储存单元114的第二串联电路112上。借助于第二直流/直流变换器130可与第一电荷储存单元104的第一串联电路102的充电状态无关地改变第三电荷储存单元108的第三串联电路106的充电状态。由此可使第三电荷储存单元108的第三串联电路106的充电状态与第一电荷储存单元104的第一串联电路的充电状态对称。由此可简化并改善按本发明的蓄电池组件100'的作用方式和操控。本发明的发明人以此为出发点：所需要的对称电流IBAL相对低，因为只需补偿在电池系统中的部分损耗并且电池系统或第二直流/直流变换器通常具有高的有效系数。因此，与直流/直流变换器110相比，第二直流/直流变换器130只需具有相对低的有效功率。
图5示出本发明的第三种实施方式，其大致示出与参考图1至3说明的本发明第一种实施方式相同的构件。第一电荷储存单元104的第一串联电路102不通过第一直流/直流变换器110连接到中间电路上并且因而连接到逆变器118上。与第一种实施方式相反，按本发明的蓄电池组件100”的第二种实施方式仅具有第三直流/直流变换器140，该第三直流/直流变换器的输出端子与第二电荷储存单元114的第二串联电路112串联连接。在第三直流/直流变换器140的输入端子上连接有第四电荷储存单元144的第四串联电路142。
如上所述，第一电荷储存单元104设计或优化用于快速的且高的电流输出并且例如由电容器构成。第二电荷储存单元114和第四电荷储存单元144设计用于持久的电流输出并且由蓄电池、如锂离子蓄电池构成。
第三种实施方式的优点在于，可特别快速且无损耗地提供第一电荷储存单元104的功率。
参考图6，该图6示出按本发明的蓄电池组件100”'的第四种实施方式，该第四种实施方式大致是参考图1至3说明的本发明第一种实施方式和参考图5说明的第二种实施方式的组合。蓄电池组件100”'的第三种实施方式的输出端子——其形成逆变器118的中间电路电压——连接到由第一直流/直流变换器110和第一电荷储存单元104的第一串联电路102构成的串联电路上并且并联于由第三直流/直流变换器140和第二电荷储存单元114的第二串联电路112构成的串联电路。在第一直流/直流变换器110的输入端子上连接有第三电荷储存单元108的第三串联电路106。在第三直流/直流变换器的输入端子上连接有第三电荷储存单元144的第三串联电路142。
第一电荷储存单元104和第三电荷储存单元108可优化用于快速的且高的电流输出并且例如由电容器构成。第二电荷储存单元114和第四电荷储存单元144可优化用于尽可能高的电容量并且例如通过蓄电池构成。该实施方式也可包括第二直流/直流变换器130，以便使所述电荷储存单元对称。
根据本发明，仅一个电池单元串的部分电池单元借助于直流/直流变换器与另一电池单元串并联连接。直流/直流变换器和连接到其上的部分串的电池单元可被称为电流阀，该电流阀控制何时从并联连接的哪个串中输出电荷。本发明的优点在于，直流/直流变换器无须设计得很高功率，由此可降低费用、安装空间以及损耗功率。

Claims (12)

1.蓄电池组件(100)，包括
－第一数量的串联的第一电荷储存单元(104)；
－第二数量的串联的第二电荷储存单元(114)；
－第三数量的串联的第三电荷储存单元(108)；和
－第一变换器(110)，在该第一变换器的第一端子对上连接有所述第三数量的串联的第三电荷储存单元(108)，
－其中，第一变换器(110)的第二端子对与所述第一数量的串联的第一电荷储存单元(104)串联连接，
－由所述第一数量的第一电荷储存单元(104)和第一变换器(110)构成的串联电路与所述第二数量的第二电荷储存单元(114)并联连接，
－第一变换器(110)构造用于变换由所述第三数量的串联的第三电荷储存单元(108)输出的电压和/或由所述第三数量的串联的第三电荷储存单元(108)输出的电流并且将其在第二端子对上输出，并且
－所述第二数量的串联的第二电荷储存单元(114)的最低电位构成蓄电池组件的第一端子，并且所述第二数量的串联的第二电荷储存单元(114)的最高电位构成蓄电池组件的第二端子，
－所述蓄电池组件包括控制装置，该控制装置构造用于当连接到蓄电池组件(100)上的电机(122)在预定的时间段上具有较高的电流消耗时这样控制第一变换器(110)，使得电荷由所述第一数量的串联的第一电荷储存单元(104)和所述第三数量的串联的第三电荷储存单元(108)输出，并且该控制装置构造用于当电机(122)在预定的时间段上具有恒定的功率消耗时这样控制第一变换器(110)，使得电荷仅由所述第二数量的串联的第二电荷储存单元(114)输出。
2.根据权利要求1所述的蓄电池组件，其特征在于，设有第二变换器(130)，该第二变换器的第一端子对连接到电源上，并且该第二变换器的第二端子对连接到所述第三数量的第三电荷储存单元(108)上，第二变换器(130)构造用于将电荷从电源(114)传输到所述第三数量的第三电荷储存单元(108)。
3.根据权利要求2所述的蓄电池组件，其特征在于，所述电源是所述第二数量的第二电荷储存单元(114)。
4.根据权利要求1至3之一所述的蓄电池组件，其特征在于，设有第三变换器(140)和第四数量的串联的第四电荷储存单元(144)，所述第四数量的串联的第四电荷储存单元连接到第三变换器(140)的第一端子对上，第三变换器的第二端子对与所述第二数量的第二电荷储存单元(114)串联连接，第三变换器(140)构造用于变换由所述第四数量的串联的第四电荷储存单元(144)输出的电压和/或由所述第四数量的串联的第四电荷储存单元(144)输出的电流并且将其在第三变换器(140)的第二端子对上输出。
5.根据权利要求4所述的蓄电池组件，其特征在于，所述控制装置构造用于当连接到蓄电池组件上的电机(122)在预定的时间段上具有较高的电流消耗时这样控制第三变换器(140)，使得电荷由所述第一数量的串联的第一电荷储存单元(104)输出，并且所述控制装置构造用于当电机在预定的时间段上具有恒定的功率消耗时这样控制第三变换器(140)，使得电荷仅由所述第二数量的串联的第二电荷储存单元(114)和所述第四数量的串联的第四电荷储存单元(144)输出。
6.根据权利要求2或3所述的蓄电池组件，其特征在于，所述控制装置构造用于这样控制第二变换器(130)，使得电荷由所述第二数量的第二电荷储存单元(114)输出并供应给所述第三数量的第三电荷储存单元(108)。
7.根据权利要求1至3之一所述的蓄电池组件，其特征在于，与第二电荷储存单元(114)相比第一电荷储存单元(104)和第三电荷储存单元(108)针对较高的电流输出和/或较短暂的电流输出进行设计，与第一电荷储存单元(104)和第三电荷储存单元(108)相比所述第二电荷储存单元(114)针对较高的电容量进行设计。
8.根据权利要求7所述的蓄电池组件，其特征在于，所述第一电荷储存单元(104)和第三电荷储存单元(108)具有电容器，所述第二电荷储存单元(114)具有蓄电池。
9.根据权利要求1至3之一所述的蓄电池组件，其特征在于，第三电荷储存单元(108)的数量比第一电荷储存单元(104)的数量的25％少。
10.根据权利要求9所述的蓄电池组件，其特征在于，第三电荷储存单元(108)的数量比第一电荷储存单元(104)的数量的20％少。
11.根据权利要求9所述的蓄电池组件，其特征在于，第三电荷储存单元(108)的数量比第一电荷储存单元(104)的数量的10％少。
12.用于车辆的驱动系统，该驱动系统具有电驱动装置，该电驱动装置包括：
－根据权利要求1至11之一所述的蓄电池组件；
－逆变器(118)；和
－电机(122)，
－所述蓄电池组件的端子连接到逆变器的直流端子上，并且所述电机连接到逆变器的交流端子上。
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