CN107078663B - 具有混合电池组和在输入侧与电池组连接的npc逆变器的电池组系统和用于运行在输入侧与混合电池组连接的npc逆变器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电池组系统，所述电池组系统具有混合电池组，所述混合电池组包括具有多个第一储能电池的第一储能源和具有多个相对于第一储能电池不同地构造的第二储能电池的、与第一储能源串联的第二储能源。此外，电池组系统具有逆变器，所述逆变器在输入侧与电池组连接，并且被构造用于将在输入侧施加的直流电压转换为在输出侧施加的交变电压，所述交变电压尤其为多相的。电池组系统也具有控制单元，所述控制单元被构造用于，通过控制逆变器的多个半导体开关在第一功能模式中或第二功能模式中或第三功能模式中运行所述逆变器。在第一功能模式中，逆变器将由第一储能源所提供的、在输入侧施加的直流电压转换为在输出侧施加的交变电压。在第二功能模式中，所述逆变器将由第二储能源所提供的、在输入侧施加的直流电压转换为在输出侧施加的交变电压。在第三功能模式中，所述逆变器将由第一储能源和第二储能源的串联电路所提供的、在输入侧施加的直流电压转换为在输出侧施加的交变电压。

Description

具有混合电池组和在输入侧与电池组连接的NPC逆变器的电 池组系统和用于运行在输入侧与混合电池组连接的NPC逆变 器的方法
技术领域
本发明涉及具有混合电池组和逆变器的电池组系统（Batteriesystem），所述逆变器在输入侧与电池组连接。本发明也涉及用于运行在输入侧与混合电池组连接的逆变器的方法。此外，本发明涉及车辆，所述车辆具有这样的电池组系统和在输出侧连接到逆变器上的电动机。
背景技术
由现有技术已知具有至少三个电压水平（电压电平（Spannungspegel））的NPC逆变器（NPC-Inverter），所述NPC逆变器也被称作具有至少三个电压水平的中性点箝位型二极管多电平逆变器（Neutral-Point-Clamped-Diode-Multilevel-Inverter, NPC）。具有数量n个电压水平的这样的NPC逆变器经由n-1个电压源或者储能源被供应电能。由电压源或者储能源所产生的直流电压分别经由适当的中间电路作为相应的中间电路电压在输入侧被提供给NPC逆变器。在此，中间电路电压必须被调准，因为中间电路电压必须是相同大小的。中间电路电压的调准（Abstimmen）可以要么以有源的方式（aktiv）或以无源的方式（passiv）借助于硬件进行，要么经由适当的空间矢量调制借助于软件进行。在这样的NPC逆变器的情况下，属于相同半导体技术的晶体管被用作半导体开关。
在如今的混合电池组系统中，所使用的混合电池组的不同的储能源可以以无源的方式彼此电互连（verknüpfen），也即，彼此并联或者必要时也彼此串接。这样的不同的储能源也可以诸如经由直流电压变换器以有源的方式彼此电互连。
利用逆变器，仅能受限制地使用例如在混合电池组系统中存在的不同储能源，其中所述逆变器的半导体开关以B6桥的方式布置并且所述逆变器现今在对不同的储能源接线时被使用。这是以下情况：由不同的储能源构造的混合电池组的效率一方面在借助于这样的逆变器运行的电动机的整个工作范围上非常强烈地波动，并且另一方面是相对小的。也不利的是，单独的储能电池或单独的开关失效导致由混合电池组供应电能的电动机的整个电传动线路失效。即使不需要储能源的所有储能电池用于产生由电动机所要求的电压等级（Spannungslage），也总是考虑所述所有储能电池用于给电动机通电。这不利地对储能电池的寿命产生影响。
发明内容
按照本发明提供一种电池组系统，所述电池组系统具有混合电池组，所述混合电池组包括具有多个第一储能电池的第一储能源和具有多个相对于第一储能电池不同地构造的第二储能电池的第二储能源，所述第二储能源与所述第一储能源串联。此外，电池组系统包括逆变器，所述逆变器在输入侧与电池组连接，并且被构造用于将在输入侧施加的直流电压转换为在输出侧施加的交变电压。优选地，交变电压是多相交变电压、尤其三相交变电压。电池组系统也具有控制单元，所述控制单元被构造用于通过控制逆变器的多个半导体开关来在第一功能模式中或在第二功能模式中或在第三功能模式中运行逆变器。在此，在第一功能模式中运行的逆变器将由第一储能源所提供的、在输入侧施加的直流电压转换为在输出侧施加的交变电压。此外，在第二功能模式中运行的逆变器将由第二储能源所提供的、在输入侧施加的直流电压转换为在输出侧施加的交变电压。此外，在第三功能模式中运行的逆变器将由第一储能源和第二储能源的串联电路所提供的、在输入侧施加的直流电压转换为在输出侧施加的交变电压。
此外，按照本发明提供用于运行逆变器的方法，所述逆变器被构造用于将在输入侧施加的直流电压转换为在输出侧施加的交变电压。优选地，交变电压是多相交变电压、尤其三相交变电压。在此，逆变器在输入侧与电池组连接，所述电池组包括具有多个第一储能电池的第一储能源和具有多个相对于第一储能电池不同地构造的第二储能电池的第二储能源，所述第二储能源与第一储能源串联。在所述方法中，通过控制多个布置在逆变器中的半导体开关在第一功能模式中或在第二功能模式中或在第三功能模式中运行所述逆变器。在此，在第一功能模式中运行的逆变器将由第一储能源所提供的、在输入侧施加的直流电压转换为在输出侧施加的交变电压。此外，在第二功能模式中运行的逆变器将由第二储能源所提供的、在输入侧施加的直流电压转换为在输出侧施加的交变电压。此外，在第三功能模式中运行的逆变器将由第一储能源和第二储能源的串联电路所提供的、在输入侧施加的直流电压转换为在输出侧施加的交变电压。
从属权利要求示出本发明的优选的改进方案。
优选地，在每个第一储能电池的内阻和在该第一储能电池中最大可存储的能量量（Energiemenge）之间的商小于在每个第二储能电池的内阻和在该第二储能电池中最大可存储的能量量之间的商。
本发明的焦点在于电压源或者储能源，所述电压源或储能源具有多个分别为了存储电能而构造的储能电池、诸如锂离子电池组电池或超电容器或超级电容器（Super-beziehungsweise Ultrakondensatoren），并且被使用在混合电池组系统中。所述储能电池在此被接线，使得第一储能源分别仅由第一储能电池构造并且第二储能源分别仅由相对于第一储能电池不同地构造的第二储能电池构造。在此，第一储能电池优选地是高功率电池并且第二储能电池优选地是高能电池。高功率电池和高能电池不同之处在于，与高功率电池的能量含量有关的内阻相对于与高功率电池的能量含量有关的内阻是不同的。
在本发明的一种优选的实施方式中，当电动机在输出侧连接到逆变器上时，可以借助于电动机提供转矩，所述转矩的转矩值处于零和最大转矩值之间。在此，电动机可以以以下转速被运行，所述转速的转速值处于零和最大转速值之间。优选地，在第一功能模式中，可由转矩采用的转矩值处于在正的第一转矩极限值和最大转矩值之间延伸的转矩值域中，并且可由转速采用的转速值处于在零和正的第一转速极限值之间延伸的转速值域中。
优选地，在第二功能模式中，可由转矩采用的转矩值处于在零和正的第二转矩极限值之间延伸的转矩值域中，并且可由转速采用的转速值处于在零和正的第二转速极限值之间延伸的转速值域中。
优选地，在第三功能模式中，可由转矩采用的转矩值处于在零和最大转矩值之间延伸的转矩值域中，并且可由转速采用的转速值处于在正的第三转速极限值和最大转速值之间延伸的转速值域中。
优选地，第二转矩极限值大于第一转矩极限值。优选地，第二转速极限值大于第一转速极限值。优选地，第三转速极限值小于第二转速极限值和/或小于第一转速极限值。
换句话说，在本发明中在称作升压范围的运行范围中工作的电动机优选地借助于在第一功能模式中运行的按照本发明的逆变器来运行。此外，在称作部分负荷范围的工作范围中工作的电动机优选地借助于在第二功能模式中运行的按照本发明的逆变器来运行。在剩余工作范围中工作的电动机也优选地借助于在第三功能模式中运行的按照本发明的逆变器来运行。
在本发明中，由高功率电池构造的第一储能源优选地覆盖升压范围，也即电动机的下转速范围或负荷范围。进一步，在本发明中由高能电池组电池构造的第二储能源优选地覆盖部分负荷范围，其中混合动力车辆和电动车辆的电动机在所述部分负荷范围中占优先地位地被运行。按照本发明优选地对于电动机的剩余工作范围无级地操控两种储能源的组合。从这样的混合电池组系统的设计中得出两种储能源的不同的电压等级，其中按照本发明所使用的逆变器的输出级优选地基于所述电压等级被配置。
优选地，按照本发明的逆变器是具有三个电压水平的NPC逆变器。
按照本发明，不同的储能源的接线优选地经由具有三个电压水平的NPC逆变器实现。在使用这样的NPC逆变器的情况下有利的是，由不同的储能源构造的混合电池组与这样的NPC逆变器的组合的效率明显地大于相同的混合电池组与通常的逆变器的组合的效率，所述通常的逆变器的半导体开关以B6桥的方式被接线。这对于这样的混合电池组意味着，在电动机的整个工作范围上出现几乎恒定的和高的效率，所述电动机借助于所述混合电池组经由适当的NPC逆变器被供应电能。对此的原因是，仅考虑对于当前由电动机要求的电压等级所需要的储能电池，用于对电动机通电。储能源的一个储能电池的失效也不引起由混合电池组供应电能的电动机的整个传动线路的失效，因为分别其他的储能源的电压路径完全保持完好。同样，储能电池对称化分别仅在单独的储能源之内是需要的，并且不是跨越源的（quellenübergreifend）。如果使用不同类型的电储能源，那么这对所使用的储能电池的寿命产生正面影响，因为总是仅使用对于电动机的当前负荷要求所需要的储能电池。
关于特定地要适配于储能组件的负荷分布和使用的储能技术，得出在所使用的储能源的布线方面的更多的自由度。此外，也可以安装具有不同的初级电压等级的电储能电池（单电池），而不对这里所描述的按照本发明的方案的基本功能性产生不利的影响。因此，按照本发明可能的储能系统的自由度的数量增加。
通过按照本发明优选地使用具有三个电压水平的NPC逆变器，相对于如今在市场上可用的系统在要使用的混合电池组和在这样的NPC逆变器中存在的功率电子装置方面以及在借助于混合电池组利用电能要运行的电动机方面得出大的优点。
在所使用的功率电子装置方面的一些显著的优点是，按照本发明的NPC逆变器在其半导体开关之一失效的情况下是容错的，并且可以在使用属于通常的半导体技术的半导体开关的情况下将可借助于这样的NPC逆变器提供的输出电压加倍。按照本发明使用的NPC逆变器优选地包括十二个半导体开关，所述半导体开关的接线在功能上对应于所述半导体开关以两个串联的B6桥方式的接线。在此有利的是，十二个半导体开关的操控的同步可以以简单的方式被实现。
在借助于按照本发明所使用的NPC逆变器运行的电动机方面得出的优点是，电动机具有更好的纹波（Welligkeit），由此在电动机运行时实现谐波损耗的减少、电动机效率的提高和声学的改善。也有利的是，这样的NPC逆变器可以以提高的切换频率被操控，所述切换频率可以为直至40kHz，由此可以实现电动机的无源元件、诸如存在的电感元件和所使用的中间电路电容器的减少。按照本发明，可以给电动机供应高电压，而不需要为按照本发明要使用的逆变器开发新的半导体技术。按照本发明，NPC逆变器以与不同类型的电压源或者储能源组合的方式非常高效地被使用。
在本发明的一种特别优选的实施方式中，多个半导体开关布置在具有多个第一半导体开关的第一半导体开关组中和/或具有多个第二半导体开关的第二半导体开关组中。在此，第一半导体开关分别被设计用于切换处于第一直流电压范围中的直流电压，并且第二半导体开关分别被设计用于切换处于相对于第一直流电压范围不同的第二直流电压范围中的直流电压。此外，控制单元被构造用于，为了在每种功能模式中运行逆变器，分别借助于以下半导体开关组的半导体开关将在输入侧施加的相应的直流电压转换为在输出侧施加的交变电压，即所述半导体开关组的半导体开关分别被设计用于切换当前要切换的直流电压，所述要切换的直流电压与要转换的直流电压的当前直流电压值相关。
在本发明的一种特别优选的实施方式中，在第一功能模式中，第一半导体开关将在逆变器上在输入侧施加的并且由第一储能源提供的直流电压转换为在输出侧施加的交变电压。在此，在第二功能模式中，第二半导体开关将在逆变器上在输入侧施加的并且由第二储能源提供的直流电压转换为在输入侧施加的交变电压。此外，在第三功能模式中，第一半导体开关和/或第二半导体开关将在逆变器上在输入侧施加的并且由第一储能源和第二储能源的串联电路所提供的直流电压转换为在输出侧施加的交变电压。
优选地，第二半导体开关被分配给每个第一半导体开关，所述第二半导体开关尤其与所述第一半导体开关并联。
优选地，按照本发明的电池组系统适配高功率电池与高能电池的比例，使得相应的储能源在所连接的电动机的相应的工作范围方面根据分别要提供的充放电率（C-Rate）并且分别要提供的电压被使用。由按照本发明的电池组系统的不同的储能源所提供的直流电压分别经由适当的中间电路作为中间电路电压被提供给按照本发明的逆变器。因此，对于按照本发明的电池组系统的整个电池组的两个半部得到不同的中间电路电压。在由高功率电池和高能电池所提供的中间电路电压的大的区别的情况下，可以使用不同地构造的半导体开关、也即属于不同的半导体技术的半导体开关，以便优化按照本发明的电池组系统的制造成本和效率。例如，作为属于不同的半导体技术的半导体开关可以使用IGBT、MOSFET、SiC晶体管和GaN晶体管。优选地，在按照本发明的电池组系统中所使用的箝位二极管（Clamping-Dioden）和/或空转二极管也可以不同地被构造、也即属于不同的半导体技术。例如，作为属于不同的半导体技术的箝位二极管和/或空转二极管分别可以使用SIC二极管和GaN二极管。以这种方式实现：避免在按照本发明的逆变器中所使用的功率电子装置的超尺寸，所述超尺寸在对于不同的中间电路电压使用相同的半导体技术的半导体元件的情况下出现。
本发明的另一方面涉及车辆，所述车辆具有按照本发明的电池组系统和电动机，其中电动机在输出侧被连接到电池组系统的逆变器上，并且可以借助于由逆变器在输出侧提供的、尤其多相的交变电压被运行。
附图说明
随后参考附图详细地描述本发明的实施例。对于相同的组件也使用相同的附图标记。在附图中：
图1示出按照本发明的第一实施方式构造的电池组系统连同所连接的电动机，
图2示出对于在图1中绘制的并且在升压范围中工作的电动机允许的转矩转速变化范围，并且示出给在升压范围中工作的同一电动机的相U进行供应的三相交变电压的电压的与时间相关的变化过程，
图3示出对于在图1中绘制的并且在部分负荷范围中工作的电动机允许的转矩转速变化范围，并且示出给在部分负荷范围中工作的同一电动机的相U进行供应的三相交变电压的电压的与时间相关的变化过程，
图4示出对于在图1中绘制的并且在剩余工作范围中工作的电动机允许的转矩转速变化范围，并且示出给在剩余工作范围中工作的同一电动机的相U进行供应的三相交变电压的电压的与时间相关的变化过程，和
图5示出按照本发明的第二实施方式构造的电池组系统。
具体实施方式
图1示出按照本发明的第一实施方式的按照本发明的电池组系统10。按照本发明的电池组系统10具有混合电池组20。混合电池组20包括具有多个构造为高功率电池（Hochleistungszellen）的第一储能电池35的第一储能源30和具有多个构造为高能电池的第二储能电池45的第二储能源40，所述第二储能源与第一储能源30串联。在此，高功率电池35彼此串联。高能电池45也彼此串联。高功率电池35和高能电池45彼此不同之处在于，与相应的高功率电池35的能量含量有关的内阻小于相应的高能电池45的与能量含量有关的内阻。为了简化图示，仅分别一个高功率电池35和仅分别一个高能电池45配备了附图标记。
此外，第一储能源30提供直流电压GS1，第二储能源40提供直流电压GS2并且由两个储能源30、40的串联电路构造的混合电池组20提供直流电压GS3。混合电池组20具有正电池组端子21和负电池组端子22。第一储能源30经由中间抽头23与第二储能源40连接。
此外，具有三个电压水平的NPC逆变器50布置在电池组系统10中，所述NPC逆变器在输入侧与电池组20连接并且在输出侧与电动机60连接。NPC逆变器50包括十二个半导体开关M1至M12，所述半导体开关被构造为十二个n沟道MOSFET M1至M12，并且分别具有栅极端子和源极端子和漏极端子。n沟道MOSFET M1,…, M12的端子为了简化图示未配备附图标记。
此外，半导体开关M1,…, M12布置在三个连接到电池组端子21、22上的支路Z1至Z3中。在此，第一支路Z1包括四个彼此串联的半导体开关M1至M4和两个箝位二极管（Clamping-Dioden）D1和D2，其中第一支路Z1经由两个箝位二极管与中间抽头23连接。此外，第二支路Z2包括其他四个彼此串联的半导体开关M5至M8和两个其他的箝位二极管（Clamping-Dioden）D3和D4，其中第二支路Z2经由两个其他两个箝位二极管D3、D4与中间抽头23连接。此外，第三支路Z3包括另外四个彼此串联的半导体开关M9至M12和另外两个二极管D5和D6，其中第三支路Z3经由另外两个箝位二极管D5和D6与中间抽头23连接。箝位二极管D1至D6分别包括阳极和阴极，所述阳极和阴极为了简化图示未被配备有附图标记。
按照本发明的第一实施方式，第一支路Z1的、布置在第一支路Z1的第一端部处的第一n沟道MOSFET M1经由其漏极端子直接地与正电池组端子21连接，并且经由其源极端子与第一支路Z1的第二n沟道MOSFET M2的漏极端子连接，所述第二n沟道MOSFET M2与第一n沟道MOSFET M1相邻地布置。此外，第一支路Z1的、布置在第一支路Z1的第二端部处的第四n沟道MOSFET M4经由其源极端子与负电池组端子22直接地连接，并且经由其漏极端子与第一支路Z1的第三n沟道MOSFET M3的源极端子直接地连接，所述第三n沟道MOSFET M3与第四n沟道MOSFET M4相邻地布置。第一支路Z1的第二n沟道MOSFET M2的源极端子也与第一支路Z1的第三n沟道MOSFET M3的漏极端子连接。
此外，第一支路Z1的第一箝位二极管D1经由其阴极直接地与第一支路Z1的第二n沟道MOSFET M2的漏极端子连接，并且经由其阳极直接地与中间抽头23连接。第一支路Z1的第二箝位二极管D2也经由其阴极直接地与第一支路Z1的第一箝位二极管D1的阳极连接，并且经由其阳极直接地与第一支路Z1的第四n沟道MOSFET M4的漏极端子连接。
不仅第二支路Z2的第一n沟道MOSFET M5、第二n沟道MOSFET M6、第三n沟道MOSFETM7和第四n沟道MOSFET M8而且第三支路Z3的第一n沟道MOSFET M9、第二n沟道MOSFET M10、第三n沟道MOSFET M11和第四n沟道MOSFET M12分别以与第一支路Z1的相应n沟道MOSFETM1,…, M4相同的方式接线。不仅第二支路Z2的第一箝位二极管D3和第二箝位二极管D4而且第三支路Z3的第一箝位二极管D5和第二箝位二极管D6分别以与第一支路Z1的相应箝位二极管D1、D2相同的方式接线。
此外，每个支路Z1、Z2、Z3经由其第二n沟道MOSFET M2、M6、M10的漏极端子直接地与NPC逆变器50的三个在输出侧布置的端子A1、A2、A3中的所分配的端子A1、A2、A3连接，其中逆变器50经由所述端子A1、A2、A3在适当地控制的情况下给电动机60提供具有三个相U、V、W的三相交变电压。在此，第一端子A1被分配给第一支路Z1，其中NPC逆变器50经由所述第一端子A1提供三相交变电压的相U。第二端子A2也被分配给第二支路Z2，其中NPC逆变器50经由所述第二端子A2提供三相交变电压的相V。此外，第三端子A3被分配给第三分支Z3，其中NPC逆变器50经由所述第三端子A3提供三相交变电压的相（Phase）W。电动机60包括经由电动机60的星点AO以星形连接的三个串联电路。在此，第一串联电路包括第一电感元件L1和第一电阻R1，并且被接在NPC逆变器50的第一端子A1和星点AO之间。此外，第二串联电路包括第二电感元件L2和第二电阻R2，并且被接在NPC逆变器50的第二端子A2和星点AO之间。第三串联电路也包括第三电感元件L3和第三电阻R3，并且被接在NPC逆变器50的第三端子A3和星点AO之间。所有三个电感元件L1、L2、L3分别具有相同的电感值L。此外，所有三个电阻R1、R2、R3分别具有相同的电阻值R。
电动机60被构造为三相交流电动机。
此外，电池组系统10包括控制单元（未示出），所述控制单元被构造用于通过控制NPC逆变器50的十二个半导体开关M1,…, M12来在第一功能模式中或在第二功能模式中或在第三功能模式中运行NPC逆变器50。在第一功能模式中运行的NPC逆变器50将由第一储能源30所提供的、在输入侧施加的直流电压GS1转换为在输出侧施加的三相交变电压。在第二功能模式中运行的NPC逆变器50将由第二储能源40所提供的、在输入侧施加的直流电压GS2转换为在输出侧施加的三相交变电压。在第三功能模式中运行的NPC逆变器50将由第一储能源30和第二储能源40的串联电路所提供的在输入侧施加的直流电压GS3转换为在输出侧施加的三相交变电压。
在此，NPC逆变器50的十二个半导体开关M1,…, M12的第一切换模式（Schaltmuster）被分配给所述NPC逆变器50的第一功能模式，NPC逆变器50的十二个半导体开关M1,…, M12的第二切换模式被分配给第二功能模式并且NPC逆变器50的十二个半导体开关M1,…, M12的第三切换模式被分配给第三功能模式。
按照第一切换模式，第一和第三支路Z1、Z3的第一和第二半导体开关M1、M2、M9、M10分别被使用用于产生在输出侧施加的交变电压，第一和第三支路Z1、Z3的第三和第四半导体开关M3、M4、M11、M12分别被断开，第二支路Z2的第一和第四半导体开关M5、M8分别被断开并且第二支路Z2的第二和第三半导体开关M6、M7分别被使用用于产生在输出侧施加的交变电压。
按照第二切换模式，第一和第三支路Z1、Z3的第一和第四半导体开关M1、M4、M9、M12分别被断开，第一和第三支路Z1、Z3的第二和第三半导体开关M2、M3、M10、M11分别被使用用于产生在输出侧施加的交变电压，第二支路Z2的第一和第二半导体开关M5、M6分别被断开，并且第二支路Z2的第三和第四半导体开关M7和M8分别被使用用于产生在输出侧施加的交变电压。
按照第三切换模式，第一和第三支路Z1、Z3的第一和第二半导体开关M1、M2、M9、M10分别被使用用于产生在输出侧施加的交变电压，第一和第三支路Z1、Z3的第三和第四半导体开关M3、M4、M11、M12分别被断开，第二支路Z2的第一和第二半导体开关M5、M6分别被断开，并且第二支路Z2的第三和第四半导体开关M7和M8分别被使用用于产生在输出侧施加的交变电压。
在本发明的第一实施方式中，控制单元被构造用于为了在每种功能模式中运行NPC逆变器50，使十二个半导体开关M1,…, M12中的以下半导体开关断开和闭合，即所述半导体开关在存在分配给相应功能模式的切换模式时被使用用于产生在输出侧施加的交变电压，并且使在存在所述切换模式时断开的开关断开或保持在断开状态中。
此外，控制单元被构造用于在第一功能模式中运行NPC逆变器50，用以在称作升压范围（Boostbereich）的工作范围中运行电动机60。例如，如果电动机被使用用于驱动车辆，那么升压范围对应于车辆的起动阶段（Anfahrphase）。
在升压范围中，借助于电动机60要提供的转矩M的转矩值并且因此要提供给电动机60的电流是大的，并且转速N的转速值并且因此还有要提供给电动机的60的交变电压是小的，其中电动机60可以以所述转速N转动。在该工作范围中，仅高功率电池35被电连接，因为在升压范围中工作的电动机60在小电压的情况下需要高电流，并且所述高电流由于高能电池45的充放电率（C-Raten）不能在短时间内由高能电池45提供。
在图2中示出的图表200示出特性曲线KM，所述特性曲线表示借助于电动机60在整个工作范围上最大可提供的转矩M与电动机60的转速N相关的变化过程。从特性曲线KM的变化过程可以看出，借助于电动机60可以提供转矩M，所述转矩的转矩值处于零和最大转矩值Mm之间，并且可以以转速N转动电动机60，所述转速的转速值处于零和最大转速值Nm之间。
图表200此外示出面片段F1，所述面片段F1对应于对于在升压范围中工作的电动机60允许的转矩转速变化范围。从面片段F1的形状和定位可以看出，转矩M可以由在升压范围中工作的电动机60提供，所述转矩M可以采用以下转矩值，所述转矩值处于在正的第一转矩极限值M1和最大转矩值Mm之间延伸的转矩值域中。从面片段F1的形状和定位也可以看出，在升压范围中工作的电动机60可以以转速N运行，所述转速N的转速值处于在零和正的第一转速极限值N1之间延伸的转速值域中。
在图2中绘制的图表210示出三相交变电压的相U的电压WS与时间t相关地表示的变化过程KWS1，其中所述三相交变电压由NPC逆变器50提供给在升压范围中工作的电动机60。
此外，控制单元被构造用于在第二功能模式中运行NPC逆变器60，用以在称作部分负荷范围的工作范围中运行电动机60。
在部分负荷范围中，借助于电动机60要提供的转矩M的转矩值并且因此要提供给电动机60的电流是小至中等大小的，并且转速N的转速值并且因此还有要提供给电动机60的交变电压是小至中等大小的，其中电动机60可以以所述转速N被运行。在所述工作范围中，仅高能电池45被电连接，因为高能电池45由于其高容量在较长的时间上更好地胜任要提供给在部分负荷范围中工作的电动机60的电流和电压的要求。
在图3中绘制的图表300示出在图表200中已经绘制的特性曲线KM。图表300此外示出面片段F2，所述面片段F2对应于对于在部分负荷范围中工作的电动机60允许的转矩转速变化范围。从面片段F2的形状和定位可以看出，转矩M可以由在部分负荷范围中工作的电动机60提供，所述转矩M可以采用以下转矩值，所述转矩值处于在零和相比于第一转矩极限值M1更大的、正的第二转矩极限值M2之间延伸的转矩值域中。从面片段F2的形状和定位也可以看出，在部分负荷范围中工作的电动机60可以以转速N被运行，所述转速的转速值处于在零和相比于第一转速极限值更大的正的第二转速极限值N2之间延伸的转速值域中。
在图3中绘制的图表310示出三相交变电压的相U的电压WS的、与时间t相关地表示的变化过程KWS2，所述三相交变电压由NPC逆变器50提供给在部分负荷范围中工作的电动机60。
此外，控制单元被构造用于在第三功能模式中运行NPC逆变器60，用以在尤其包括场衰减范围的剩余工作范围中运行电动机60。
在剩余工作范围中，借助于电动机60要提供的转矩M的转矩值并且因此要提供给电动机60的电流是小的至大的，并且转速N的转速值和因此还有要提供给电动机60的交变电压是中等大小至大的，其中电动机60可以以所述转速N被运行。在该工作范围中，高功率电池35和高能电池45的串联电路被电连接，因为所述串联电路更好地胜任对要提供给在剩余工作范围中工作的电动机60的电流和电压的要求。
在图4中绘制的图表400示出在图表200中已经绘制的特性曲线KM。图表400此外示出面片段F3，所述面片段F3对应于对于在剩余工作范围中工作的电动机60允许的转矩转速变化范围。从面片段（Flächenabschnitt）F3的形状和定位可以看出，转矩M可以由在剩余工作范围中工作的电动机60提供，所述转矩M可以采用以下转矩值，所述转矩值处于在零和最大转矩值Mm之间延伸的转矩值域中。从面片段F3的形状和定位中也可以看出，在部分负荷范围中工作的电动机60可以以转速N被运行，所述转速的转速值处于在相比于第一转速极限值N1更小的正的转速极限值N3和最大转速值Nm之间延伸的转速值域中。
在图4中绘制的图表410示出三相交变电压的相U的电压WS与时间t相关地表示的变化过程KWS3，所述三相交变电压由NPC逆变器50提供给在剩余工作范围中工作的电动机60。
图5示出按照本发明的第二实施方式的电池组系统100。电池组系统100在这里也包括混合电池组20，所述混合电池组20包括由高功率电池构造的第一储能源30和由高能电池构造的第二储能源40。为了简化图5的图示，仅示出了两个储能源30和40，而在此未单独地表示所述分别进行构造的高功率电池或者高能电池。
按照本发明的第二实施方式的电池组系统100与按照本发明的第一实施方式的电池组系统10不同之处在于，布置在电池组系统100中的NPC逆变器150的半导体开关被布置在十二个所构造的第一半导体开关T1至T12的第一半导体开关组中以及十二个第二半导体开关M1至M12的第二半导体开关组中，所述第一半导体开关T1至T12被构造为十二个IGBTT12至T12，所述第二半导体开关M1至M12被构造为十二个n沟道MOSFET M1至M12。在此，第一半导体开关T1,…, T12分别被设计用于切换处于第一直流电压范围中的直流电压，并且第二半导体开关M1,…, M12分别被设计用于切换处于相对于第一直流电压范围不同的第二直流电压范围中的直流电压。第二半导体开关M1,…, M12具有与按照本发明的第一实施方式构造的电池组系统的NPC逆变器的十二个半导体开关相同的开关装置。在本发明的第二实施方式中，不同的半导体组的半导体开关属于不同的半导体技术。
按照本发明的第二实施方式，IGBT T1,…, T12分别被分配给每个n沟道MOSFETM1,…, M12。在此，每个IGBT T1,…, T12与分配给其的n沟道MOSFET M1,…, M12并联。为此，每个IGBT T1,…, T12包括发射极端子和集电极端子，其中每个IGBT T1,…, T12经由其发射极端子与所分配的n沟道MOSFET M1,…, M12的源极端子直接地连接并且经由其集电极端子与所分配的n沟道MOSFET M1,…, M12的漏极端子直接地连接。每个IGBT T1,…,T12的发射极端子也与分配给该IGBT的空转二极管的阳极直接地连接，并且每个IGBTT1,…, T12的集电极端子与分配给该IGBT的空转二极管的阴极直接地连接。为了简化图5的图示，分配给十二个IGBT T1,…, T12的空转二极管未配备附图标记。
也在本发明的第二实施方式中，电动机（未示出）也在输出侧连接在NPC逆变器150上，所述电动机借助于在输出侧施加在NPC逆变器150上的三相交变电压被运行。
电池组系统100在这里也包括控制单元（未示出），所述控制单元被构造用于，也在本发明的第二实施方式中通过控制NPC逆变器150的半导体开关T1,…, T12、M1,…, M12来在第一功能模式中或在第二功能模式中或在第三功能模式中运行NPC逆变器150。在此，NPC逆变器150也在这里在第一功能模式中被运行，用以在升压范围中运行电动机，在第二功能模式中被运行，用以在部分负荷范围中运行电动机，并且在第三功能模式中被运行，用以在剩余工作范围中运行电动机。
在此，控制单元被构造用于，为了在每种功能模式中运行逆变器150，在输入侧施加的相应的直流电压GS1、GS2、GS3分别借助于以下半导体开关组的半导体开关被转换为在输出侧施加的交变电压，即所述半导体开关组的半导体开关分别被设计用于切换当前要切换的直流电压。在此，在每种功能模式中，由每个半导体开关T1,…, T12、M1,…, M12要切换的直流电压与要在相应的功能模式中要转换的直流电压GS1、GS2、GS3的当前直流电压值相关。
在本发明的第二实施方式中，分别构造为IGBT的第一半导体开关T1,…, T12优选地将在输入侧施加在NPC逆变器150上的并且由第一储能源30所提供的直流电压GS1转换为在输出侧施加的交变电压，所述第一除能源由高功率电池构造。在第二功能模式中，分别构造为n沟道MOSFET的第二半导体开关M1,…, M12也优选地将在NPC逆变器150上在输入侧施加的并且由第二储能源40所提供的直流电压GS2转换为在输出侧施加的交变电压，所述第二储能源40由高能电池构造。此外在第三功能模式中，第一半导体开关T1至T12和/或第二半导体开关M1,…, M12优选地将由第一储能源30和第二储能源40的串联电路所提供的直流电压GS3转换为在输出侧施加的交变电压。
在本发明中，在NPC逆变器150上在输入侧施加的直流电压GS1、GS2、GS3分别经由适当的中间电路作为相应的中间电路电压被提供。在此，在NPC逆变器150上在输入侧施加的直流电压GS1和GS2可以是非常不同的。按照本发明的第二实施方式，使用不同半导体组的半导体开关、也即分别属于不同半导体技术的半导体开关，用于转换不同的中间电路电压，其中不存在对n沟道MOSFET和IGBT的限制，而是可以根据相应的半导体开关的特性、混合电池组20的特性和所连接的消耗器（这里电动机60）的特性来选出所述相应的半导体开关M1,…, M12和T1,…, T12。
除了前面的书面公开内容之外，对此为了进一步公开本发明补充地参考在图1至5中的图示。

Claims (16)

1.电池组系统（10；100），所述电池组系统（10；100）具有混合电池组（20），所述混合电池组（20）包括具有第一储能电池（35）的第一储能源（30）和具有多个相对于所述第一储能电池（35）不同地构造的第二储能电池（45）的第二储能源（40），所述第二储能源与所述第一储能源（30）串联，并且所述电池组系统（10；100）具有逆变器（50；150），所述逆变器在输入侧与所述电池组（20）连接，并且被构造用于，将在输入侧施加的直流电压（GS1、GS2、GS3）转换为在输出侧施加的交变电压，其特征在于控制单元，所述控制单元被构造用于，通过控制所述逆变器（50；150）的多个半导体开关（M1,…,M12；T1,…,T12，M1,…,M12）来在第一功能模式中运行所述逆变器（50；150），在所述第一功能模式中所述逆变器（50；150）将由所述第一储能源（30）所提供的在输入侧施加的直流电压（GS1）转换为在输出侧施加的所述交变电压，或者在第二功能模式中运行所述逆变器（50；150），在所述第二功能模式中所述逆变器（50；150）将由所述第二储能源（40）所提供的在输入侧施加的直流电压（GS2）转换为在输出侧施加的所述交变电压，或者在第三功能模式中运行所述逆变器（50；150），在所述第三功能模式中所述逆变器（50；150）将由所述第一储能源（30）和所述第二储能源（40）的串联电路所提供的、在输入侧施加的直流电压（GS3）转换为在输出侧施加的所述交变电压，其中在电动机（60）在输出侧连接到所述逆变器（50；150）上的情况下，可借助于所述电动机（60）提供转矩（M），所述转矩（M）的转矩值处于零和最大转矩值（Mm）之间，并且所述电动机（60）可以以转速（N）被运行，所述转速（N）的转速值处于零和最大转速值（Nm）之间，其中在所述第一功能模式中，可由所述转矩（M）采用的所述转矩值处于在正的第一转矩极限值（M1）和所述最大转矩值（Mm）之间延伸的转矩值域中，并且可由所述转速（N）采用的所述转速值处于在零和正的第一转速极限值（N1）之间延伸的转速值域中，和/或在所述第二功能模式中，可由所述转矩（M）采用的所述转矩值处于在零和正的第二转矩极限值（M2）之间延伸的转矩值域中，并且可由所述转速（N）采用的所述转速值处于在零和正的第二转速极限值（N2）之间延伸的转速值域中，和/或在第三功能模式中，可由所述转矩（M）采用的所述转矩值处于在零和所述最大转矩值（Mm）之间延伸的转矩值域中，并且可由所述转速（N）采用的所述转速值处于在正的第三转速极限值（N3）和所述最大转速值（Nm）之间延伸的转速值域中。
2.按照权利要求1所述的电池组系统（10；100），其中在每个第一储能电池（35）的内阻和在所述第一储能电池（35）中最大可存储的能量量之间的商小于在每个第二储能电池（45）的内阻和在所述第二储能电池（45）中最大可存储的能量量之间的商。
3.按照权利要求1或2所述的电池组系统（10；100），其中所述逆变器（50；150）是具有三个电压水平的NPC逆变器。
4.按照权利要求1所述的电池组系统（10；100），其中所述第二转矩极限值（M2）大于所述第一转矩极限值（M1），和/或所述第二转速极限值（N2）大于所述第一转速极限值（N1）和/或所述第三转速极限值（N3）小于所述第二转速极限值（N2）和/或小于所述第一转速极限值（N1）。
5.按照权利要求1或2所述的电池组系统（100），其中所述多个半导体开关（T1,…,T12,M1,…,M12）被布置在具有多个第一半导体开关（T1,…,T12）的第一半导体开关组中和具有多个第二半导体开关（M1,…,M12）的第二半导体开关组中，所述第一半导体开关（T1,…,T12）分别被设计用于切换处于第一直流电压范围中的直流电压，所述第二半导体开关（M1,…,M12）分别被设计用于切换处于相对于所述第一直流电压范围不同的第二直流电压范围中的直流电压，其中所述控制单元被构造用于，为了在每种功能模式中运行所述逆变器（150），分别借助于以下半导体开关组的所述半导体开关将相应的在输入侧施加的所述直流电压（GS1，GS2，GS3）转换为在输出侧施加的所述交变电压，即所述半导体开关组的半导体开关分别被设计用于切换当前要切换的直流电压，所述直流电压与要转换的直流电压（GS1、GS2、GS3）的当前直流电压值相关。
6.按照权利要求5所述的电池组系统（100），其中在所述第一功能模式中，所述第一半导体开关（T1,…,T12）将在所述逆变器（150）上在输入侧施加的并且由所述第一储能源（30）所提供的所述直流电压（GS1）转换为在输出侧施加的所述交变电压，在所述第二功能模式中，所述第二半导体开关（M1,…,M12）将在所述逆变器（150）上在输入侧施加的并且由所述第二储能源（40）所提供的所述直流电压（GS2）转换为在输出侧施加的所述交变电压，并且在所述第三功能模式中，所述第一半导体开关（T1,…,T12）和/或所述第二半导体开关（M1,…,M12）将在所述逆变器（150）上在输入侧施加的并且由所述第一储能源（30）和所述第二储能源（30）的所述串联电路所提供的所述直流电压（GS3）转换为在输出侧施加的所述交变电压。
7.按照权利要求5所述的电池组系统（100），其中给每个第一半导体开关（T1,…,T12）分配与所述第一半导体开关（T1,…,T12）并联的第二半导体开关（M1,…,M12）。
8.按照权利要求1所述的电池组系统（100），其中所述交变电压为多相的。
9.用于运行逆变器（50；150）的方法，所述逆变器（50；150）被构造用于将在输入侧施加的直流电压（GS1、GS2、GS3）转换为在输出侧施加的交变电压，其中所述逆变器（50；150）在输入侧与混合电池组（20）连接，所述混合电池组（20）包括具有多个第一储能电池（35）的第一储能源（30）和具有多个相对于所述第一储能电池（35）不同地构造的第二储能电池（45）的第二储能源（40），所述第二储能源与所述第一储能源（30）串联，其特征在于，
通过控制所述逆变器（50；150）的多个半导体开关（M1,…,M12；T1,…,T12, M1,…,M12），在第一功能模式中运行所述逆变器（50；150），在所述第一功能模式中所述逆变器（50；150）将由所述第一储能源（30）所提供的在输入侧施加的直流电压（GS1）转换为在输出侧施加的交变电压，或者在第二功能模式中运行所述逆变器（50；150），在所述第二功能模式中所述逆变器（50；150）将由所述第二储能源（40）所提供的在输入侧施加的直流电压（GS2）转换为在输出侧施加的所述交变电压，或者在第三功能模式中运行所述逆变器（50；150），在所述第三功能模式中所述逆变器（50；150）将由所述第一储能源（30）和所述第二储能源（40）的串联电路所提供的在输入侧施加的直流电压（GS3）转换为在输出侧施加的所述交变电压，其中电动机（60）在输出侧连接到所述逆变器（10；100）上，借助于所述电动机（60）可提供转矩（M），所述转矩（M）的转矩值处于零和最大转矩值（Mm）之间，并且所述电动机（60）可以以转速（N）被运行，所述转速（N）的转速值处于零和最大转速值（Nm）之间，其中在所述第一功能模式中，可由所述转矩（M）采用的所述转矩值处于在正的第一转矩极限值（M1）和所述最大转矩值（Mm）之间延伸的转矩值域中，并且可由所述转速（N）采用的所述转速值处于在零和正的第一转速极限值（N1）之间延伸的转速值域中，和/或在所述第二功能模式中可由所述转矩（M）采用的所述转矩值处于在零和正的第二转矩极限值（M2）之间延伸的转矩值域中，并且可由所述转速（N）采用的所述转速值处于在零和正的第二转速极限值（N2）之间延伸的转速值域中和/或在所述第三功能模式中可由所述转矩（M）采用的所述转矩值处于在零和所述最大转矩值（Mm）之间延伸的转矩值域中，并且可由所述转速（N）采用的所述转速值处于在正的第三转速极限值（N3）和所述最大转速值（Nm）之间延伸的转速值域中。
10.按照权利要求9所述的方法，其中在每个第一储能电池（35）的内阻和在所述第一储能电池（35）中最大可存储的能量量之间的商小于在每个第二储能电池（45）的内阻和在所述第二储能电池（45）中最大可存储的能量量之间的商。
11.按照权利要求9所述的方法，其中所述第二转矩极限值（M2）大于所述第一转矩极限值（M1）和/或所述第二转速极限值（N2）大于所述第一转速极限值（N1）和/或所述第三转速极限值（N3）小于所述第二转速极限值（N2）和/或小于所述第一转速极限值（N1）。
12.按照权利要求9至11之一所述的方法，其中所述多个半导体开关（T1,…,T12M1,…,M12）被布置在具有多个第一半导体开关（T1,…,T12）的第一半导体开关组中和具有多个第二半导体开关（M1,…,M12）的第二半导体开关组中，所述第一半导体开关（T1,…,T12）分别被设计用于切换处于第一直流电压范围中的直流电压，所述第二半导体开关（M1,…,M12）分别被设计用于切换处于相对于所述第一直流电压范围不同的第二直流电压范围中的直流电压，其中为了在每种功能模式中运行所述逆变器（150），所述相应的施加在所述逆变器（150）上的直流电压（GS1、GS2、GS3）借助于以下半导体开关组的所述半导体开关被转换为在输出侧施加的所述交变电压，即所述半导体开关组的半导体开关分别被设计用于切换当前要切换的直流电压，所述直流电压与所述要转换的直流电压（GS1、GS2、GS3）的当前直流电压值相关。
13.按照权利要求12所述的方法，其中在所述第一功能模式中，在所述逆变器（150）上在输入侧施加的并且由所述第一储能源（30）所提供的所述直流电压（GS1）借助于所述第一半导体开关（T1,…,T12）被转换为在输出侧施加的所述交变电压，在所述第二功能模式中，在所述逆变器（150）上在输入侧施加的并且由所述第二储能源（40）所提供的所述直流电压（GS2）借助于所述第二半导体开关（M1,…,M12）被转换为在输出侧施加的所述交变电压，并且在所述第三功能模式中，在所述逆变器（150）上在输入侧施加的并且由所述第一储能源（30）和所述第二储能源（40）的所述串联电路所提供的所述直流电压（GS3）借助于所述第一半导体开关（T1,…,T12）和/或所述第二半导体开关（M1,…,M12）被转换为在输出侧施加的所述交变电压。
14.按照权利要求9所述的方法，其中所述交变电压为多相的。
15.车辆，所述车辆具有按照权利要求1至8之一所述的电池组系统（10；100）并且具有电动机（60），其中所述电动机（60）在输出侧被连接到所述电池组系统（10；100）的所述逆变器（50；150）上，并且可以借助于由所述逆变器（50；150）在输出侧提供的交变电压被运行。
16.按照权利要求15所述的车辆，其中，所述交变电压为多相的。
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