CN107204641A - 用于借助于储能系统给耗电器供应电压的电路装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于借助于储能系统给耗电器供应电压的电路装置，所述储能系统具有至少一个电化学储能器，所述电化学储能器包括多个储能电池并且可以借助于至少一个第一开关与储能系统的第一电连接端子对电连接，其中至少一个储能电池可以借助于第二电连接端子对与储能系统的第三连接端子对电连接，其中所述电路装置包括：用于变换电压水平的电路，所述电路与所述储能系统的第一电连接端子对电连接；和第二开关，所述第二开关用于对至少一个储能电池的至少一个电极和储能系统的第二电连接端子对的连接端子的电连接、或者电路的至少一个电输出端与储能系统的第二电连接端子对的连接端子的电连接进行切换，其中第二开关可以通过施加在电路的电输出端之间的电压被切换。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于借助于具有至少一个电化学储能器的储能系统给耗电器供应电压的电路装置，所述电化学储能器包括多个储能电池(Energiespeicherzellen)，并且能够借助于至少一个第一开关与储能系统的第一电连接端子对电连接。
背景技术
出版物DE 10 2012 007 225 A1公开了一种尤其用于机动车的能量供应系统，所述能量供应系统包括具有至少两个电池组单元的电池组系统，该电池组系统具有用于输出第一输出电压的第一电压分接头并且具有用于输出第二输出电压的第二电压分接头、带有输入连接端子和输出连接端子的电压转换单元，该电压转换单元将施加在输入连接端子上的输入电压转换成在输出连接端子处所提供的输出电压，该输出电压小于输入电压，其中输入连接端子与第一电压分接头可操作地电连接并且输出连接端子与第二电压分接头可操作地电连接，其中第二电压分接头借助于二极管元件与电池组单元电连接，使得在电压转换单元的输出电压下降到预定的阈值以下的情况下，连接到输出连接端子上的耗电器能够借助于经由二极管元件提供的第二输出电压被供应电能。
出版物WO 2014/118476 A1公开了一种用于给混合动力车辆的车载电网供应电压的设备。
发明内容
与此相对地，具有独立权利要求的特征性特征的按照本发明的做法(Vorgehensweise)具有以下优点，即电路装置包括：用于变换(Wandeln)电压水平的电路，所述电路与储能系统的第一电连接端子对电连接；和第二开关，所述第二开关用于对所述至少一个储能电池的至少一个电极和储能系统的第二电连接端子对的连接端子的电连接、或者电路的至少一个电输出端与储能系统的第二电连接端子对的该连接端子的电连接进行切换，其中第二开关可以通过施加在电路的电输出端之间的电压被切换。由此，使得能够在无附加的电池组的情况下可靠地运行混合动力车辆或电动车辆以及具有电储能系统的静止应用(Anwendungen)。进一步地，构造空间和重量被节省，这在混合动车车辆或电动车辆情况下能够实现延长的有效距离。
其它有利的实施方式是从属权利要求的主题。
用于变换电压水平的电路包括直流电压变换器。由此，在储能系统的第一电连接端子对之间的第一电压水平可以被变换成第二电压水平、例如较低的电压水平。
用于切换电连接的第二开关包括电磁开关和/或电子开关。电磁开关具有以下优点：所述电磁开关例如在无电流的状态下总是返回到定义的状态。电子开关具有以下优点：所述电子开关具有特别快的切换周期。
电磁开关和/或电子开关在无电压的状态下采用以下开关位置，即在所述开关位置情况下，至少一个储能电池的至少一个电极和储能系统的第二电连接端子对的连接端子电连接。由此确保，通过至少一个储能电池，与电化学储能器的第一开关的切换状态无关地进行在储能系统的第二连接端子对处的电压供应。
电路装置包括用于电荷均衡和/或用于选择多个储能电池以与第二电连接端子对的连接端子电连接的电路。由此，例如可以取消用于在储能电池之间进行电荷均衡的耗费的方法。进一步地，能够有利地动态地适配施加在第二连接端子对上的电压水平。
电路装置包括缓冲电容器，其用于在第一开关和/或第二开关的切换过程期间稳定电压。由此确保，储能系统的第二连接端子对处的电压水平基本上是恒定的。
用于借助于具有至少一个电化学储能器的储能系统给耗电器供应电压的电路装置用的按照本发明的方法，该方法包括以下步骤：
-借助于至少一个第一开关将储能系统的第一电化学储能器电接通到储能系统的第一连接端子对上。现在，在用于变换电压水平的电路的输入端上施加第一电压水平，所述第一电压水平对应于第一连接端子对的连接端子之间的电压水平。
-借助于电子电路将施加在储能系统的第一连接端子对上的第一电压水平变换成第二电压水平。由此，具有高电压的第一电压水平例如能够被变换成具有低压的第二电压水平。
-借助于经转换的电压来切换第二开关，用以将所述至少一个储能电池与储能系统的第二连接端子对之间的电连接分开。由此紧接在闭合第一开关之后，借助于经转换的电压切换第二开关。
-将所述电路的至少一个输出端与储能系统的第二连接端子对的连接端子电连接。由此，紧接在将所述至少一个储能电池与储能系统的第二连接端子对之间的电连接分开之后，建立第二连接端子对与电路的输出端之间的电连接。有利地，在切换第二开关之前和之后，所述电压水平基本上是相同的。
所述方法此外包括以下步骤：
-借助于至少所述第一开关将在电化学储能器与储能系统的第一连接端子对之间的电连接电分开。由此，无电压地切换第一连接端子对。
-切换第二开关，用以将所述电路的所述至少一个输出端与储能系统的第二连接端子对的连接端子之间的电连接分开。由此，紧接在将电化学储能器与储能系统的第一连接端子对之间的连接分开之后，切换第二开关。
-将所述至少一个储能电池与储能系统的第二连接端子对电连接。由此，紧接在切换第二开关之后，在第二连接端子对上施加至少一个储能电池的电压水平。所述至少一个储能电池的电压水平有利地基本上与在切换第二开关之前的电压水平相同。
第二电压水平在变换之后小于第一电压水平。由此例如可以取消车辆中的低压车载电网电池组，因为供应车载电网电压通过高压电池组来实现。
有利地，用于给耗电器供应电压的按照本发明的电路装置被使用在车辆和/或具有至少一个储能系统的静止应用中。由此，例如可以在混合动力车辆和/或电动车辆中取消用于给低压侧供应电压的电池组。
有利地，储能系统包括至少一个锂离子储能电池、锂硫储能电池和/或锂空气(Lithium-Luft)储能电池。由此，尽管附加地向储能系统的第二连接端子对发出能量，仍有足够的能量可用于混合动力车辆和/或电动车辆的牵引驱动。
附图说明
在附图中示出并且在随后的说明书中更详细阐述本发明的实施例。
图1示出按照本发明的电路装置的第一实施方式；以及
图2示出按照本发明的电路装置的第二实施方式；以及
图3示出按照本发明的电路装置的第三实施方式；以及
图4示出按本发明的方法的实施方式。
具体实施方式
相同的附图标记在所有图中表示相同的设备组件。
图1示出按照本发明的电路装置的实施方式。储能系统100包括具有多个电储能电池103的电化学储能器101，所述储能电池103在所示的实施方式中相互电串联，其中电化学储能器101可以借助于至少一个第一开关105与储能系统100的第一电连接端子对106电连接。
能量供应系统100的第一电连接端子对106具有第一电连接端子106a和第二电连接端子106b。
在所示的实施方式中，按照本发明的电路装置102包括用于变换电压水平的电路104，其中电路104与第一电连接端子106a和第二电连接端子106b连接。该电路104进一步包括电输出端111，其具有第一电连接端子111a和第二电连接端子111b。
此外，按照本发明的电路装置102包括第二开关107，所述第二开关107在所示的实施方式中包括电磁开关108，所述电磁开关108与用于变换电压水平的电路104的电输出端111电连接。
在所示的实施方式中，第二开关107包括两个开关位置110a和110b。在开关位置110a中，电化学储能器101的至少一个电储能电池103的电极112与第二连接端子对109的第一电连接端子109a连接。
与第二连接端子对109连接的车载电网和/或耗电器例如从至少一个电储能电池103中被馈电。
根据电化学储能器101确定电储能电池103的所需的数量。因此，适用于确保所需的供应电压(例如用于与第二电连接端子对109连接的12V车载电网)的是：
3个串联的锂锰氧化物(LMO)储能电池103：供应电压U＝3*(3.4V至4.2V)＝10.2V至12.6V(额定电压11.1V)或者
4个串联的锂铁磷酸盐(LiFePO4)储能电池103：供应电压U＝4*(2.8V至3.6V)＝11.2V至14.4V(额定电压12.2V)。
在故障情况下，所需数量的储能电池103的负载可能导致不相同的充电状态。
例如在10s的时间间隔内需要5A的通过电流(Stromfluss)，这对应于大约14mAh。与具有至少20Ah的储能电池的总容量相比，这小于充电状态的0.7％。
在常规的电池组系统中，从约20mV起(也即在与约4％充电状态有偏差时)激活主动储能电池电荷均衡。因此，能量消耗通常是可忽略的。
在未示出的实施方式中，所需的储能电池借助于电路被再充电，其中用于变换电压水平的电路104在断开第一开关105之后保持为激活的并且对电化学储能器101的所需的储能电池103充电，例如直至该充电状态对应于剩余储能电池103的充电状态为止。
如果在电路104的电输出端111上施加电压，则第二开关107被移动到开关位置110b，由此将第二连接端子对109的第一连接端子109a与电路104的第一电连接端子111a电连接。连接到第二连接端子对109上的车载电网现在借助于电路104被馈电。
如果所述至少一个第一开关105再次被断开，则电压不再施加在开关104的电输出端111上，由此电磁开关108是无电流的，并且第二开关107被移动到开关位置110a。
电路装置102包括缓冲电容器120，其用于在第一开关105和/或第二开关107的切换过程期间稳定电压。电路装置102进一步地作为过载保护而包括二极管和保险装置121。
图2示出按照本发明的电路装置的第二实施方式。用于给耗电器供应电压的电路装置202包括用于变换电压水平的电路204，所述电路204与储能系统101的第一电连接端子对106电连接。
电路204包括电输出端211，所述电输出端211具有第一电连接端子211a和第二电连接端子211b。电连接端子211a和211b与电磁开关208电连接。
电磁开关208将第二开关207在两个开关位置210a和210b之间切换。
此外，电路装置202包括用于选择性地将至少一个电储能电池103接通或关断的第一电路213，和用于选择性地将至少一个另外的电储能电池103接通或关断的第二电路214。由此在需要时执行储能电池电荷均衡，这导致储能电池103的负载降低。
如果电路204的电输出端211变得无电流的，则其结果是电磁开关208变得无电流的，由此第二开关207占用开关位置210a。
由此，储能系统100的第二连接端子对109的电流供应经由电化学储能器101的至少一个储能电池103的极212进行。
借助于用于选择性地将至少一个电储能电池接通或关断的第一开关213或第二开关214，对各个储能电池103进行接通或关断，使得在第二连接端子对109上施加基本上恒定的电压。由此可以取消用于电化学储能器101的耗费的电荷均衡方法，所述电荷均衡方法用于适配电储能电池的电压水平。
图3示出按照本发明的电路装置的第三实施方式。储能系统300包括具有多个电储能电池303的电化学储能器301，所述电储能电池303在所示的实施方式中相互电串联，其中电化学储能器301可以借助于至少一个第一开关305与储能系统300的第一电连接端子对306电连接。
能量供应系统300的第一电连接端子对306具有第一电连接端子306a和第二电连接端子306b。
在所示的实施方式中，按照本发明的电路装置302包括用于变换电压水平的电路304，其中电路304与第一电连接端子306a和第二电连接端子306b连接。电路304进一步包括电输出端311，所述电输出端311具有第一电连接端子311a和第二电连接端子311b。
此外，按照本发明的电路装置302包括第二开关307，所述第二开关307在所示的实施方式中包括电磁开关308，所述电磁开关308与电连接端子对306的第一电连接端子306a电连接。
第二开关307在所示的实施方式中包括两个开关位置310a和310b。在开关位置310a中，电化学储能器301的至少一个电储能电池303的电极312与第二连接端子对309的第一电连接端子309a连接。
与第二连接端子对309连接的车载电网和/或耗电器例如从所述至少一个电储能电池303被馈电。
如果在电连接端子306a上施加电压，则第二开关307被移动到开关位置310b，由此将第二连接端子对309的第一连接端子309a与电路304的第一电连接端子311a电连接。连接到第二连接端子对309上的车载电网现在借助于电路304被馈电。
如果所述至少一个第一开关305再次被断开，则电压不再施加在电连接端子306a上，由此电磁开关308是无电流的并且第二开关307被移动到开关位置310a。
电路装置302包括缓冲电容器320，其用于在第一开关305和/或第二开关307的切换过程期间稳定电压。电路装置302进一步地作为过载保护而包括二极管和保险装置321。
图4示出按本发明的方法的实施方式。在步骤S1中，例如当车辆由驾驶员起动或投入运行时，开始该方法。
在电化学储能器、例如牵引电池组被接通之前，不同的诊断被执行。如果在诊断期间出现故障情况，则电化学储能器不被接通。所述诊断通常由控制设备、尤其电池组控制设备执行。从车辆的低压车载电网中对所述控制设备进行电供应。
在步骤S2中，储能系统的第一电化学储能器借助于至少一个第一开关被电接通到储能系统的第一连接端子对上。
在步骤S3中，施加在储能系统的第一连接端子对上的第一电压水平借助于电子电路被变换成第二电压水平。
在步骤S4中，第二开关借助于经转换的电压被切换用于将至少一个储能电池与储能系统的第二连接端子对之间的电连接分开。
在步骤S5中，将电路的至少一个输出端与储能系统的第二连接端子对的第一连接端子电连接。
借助于电化学储能器和电路，现在经由储能系统的第二连接端子对来提供例如电池组控制设备的电供应。由此与第一开关、例如继电器或接触器(Schütz)的切换状态无关地来确保电供应。
在步骤S6中结束该方法。
Claims (11)
1.用于借助于储能系统(100)给耗电器供应电压的电路装置(102、202)，所述储能系统(100)具有至少一个电化学储能器(101)，所述电化学储能器(101)包括多个储能电池(103)并且能够借助于至少一个第一开关(105)与所述储能系统(100)的第一电连接端子对(106)电连接，其特征在于，所述电路装置(102、202)包括：
-用于变换电压水平的电路(104、204)，所述电路(104、204)与所述储能系统(102、202)的所述第一电连接端子对(106)电连接，以及
-第二开关(107、207)，所述第二开关用于对所述至少一个储能电池(103)的至少一个电极(112、212a、212b)和所述储能系统(102、202)的第二电连接端子对(109)的连接端子(109a)的电连接、或者所述电路(204)的至少一个电输出端(111a、211a)与所述储能系统(102、202)的所述第二电连接端子对(109)的所述连接端子(109a)的电连接进行切换，其中所述第二开关(107、207)能够通过施加在所述电路(204)的所述电输出端(211a、211b)之间的电压被切换。
2.根据权利要求1所述的电路装置(102、202)，其特征在于，用于变换电压水平的所述电路(104、204)包括直流电压变换器。
3.根据上述权利要求之一所述的电路装置(102、202)，其特征在于，用于切换电连接的所述第二开关(107、207)包括电磁开关(108、208)和/或电子开关。
4.根据权利要求3所述的电路装置(102、202)，其特征在于，所述电磁开关(108、208)和/或所述电子开关在无电压的状态下采用以下开关位置(110a、210a)，在所述开关位置情况下所述至少一个储能电池(103)的所述至少一个电极(112、212a、212b)和所述储能系统(100)的所述第二电连接端子对(109)的所述连接端子(109a)电连接。
5.根据上述权利要求之一所述的电路装置(102、202)，其特征在于，所述电路装置(102、202)包括用于电荷均衡(213、214)和/或用于选择多个储能电池(103)以与所述第二电连接端子对(109)的所述连接端子(109a)电连接的电路。
6.根据上述权利要求之一所述的电路装置(102、202)，其特征在于，所述电路装置(102、202)包括缓冲电容器(120、220)，所述缓冲电容器用于在所述第一开关(105)和/或所述第二开关(107，207)的切换过程期间稳定电压。
7.根据权利要求1至6之一所述的用于借助于具有至少一个电化学储能器(101)的储能系统(100)给耗电器供应电压的电路装置(102、202)用的方法，所述方法包括以下步骤：
-(S2)借助于至少一个第一开关(105)将所述储能系统(100)的第一电化学储能器(101)电接通到所述储能系统(100)的第一连接端子对(106)上，
-(S3)借助于电子电路(104、204)将施加在所述储能系统(100)的所述第一连接端子对(106)上的第一电压水平变换成第二电压水平，
-(S4)借助于经转换的电压来切换第二开关(107、207)，用以将所述至少一个储能电池(103)与所述储能系统(100)的第二连接端子对(109)之间的电连接分开，和
-(S5)将所述电路(104、204)的至少一个输出端(111a、111b、211a、211b)与所述储能系统(100)的所述第二连接端子对(109)的连接端子(109a)电连接。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法此外包括以下步骤：
-(S7)借助于至少所述第一开关(105)将在所述电化学储能器(101)与所述储能系统(100)的所述第一连接端子对(106)之间的所述连接电分开，
-(S8)切换所述第二开关(107、207)，用以将在所述电路(104、204)的所述至少一个输出端(111a、111b、211a、211b)与所述储能系统(100)的所述第二连接端子对的所述连接端子(109a)之间的所述电连接分开，和
-(S9)将所述至少一个储能电池(103)与所述储能系统(100)的所述第二连接端子对(109)电连接。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第二电压水平在变换之后小于所述第一电压水平。
10.根据权利要求1至6之一所述的用于给耗电器供应电压的电路装置(102、202)在车辆和/或具有至少一个储能系统(100)的静止应用中的应用。
11.根据权利要求10所述的电路装置的应用，其特征在于，所述至少一个储能系统(100)包括锂离子储能电池、锂硫储能电池和/或锂空气储能电池(103)。
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