CN107848430A - 用于电力供应的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明将用于电动车辆的牵引电源描述为单一单元。具体地，本发明整合了若干功能，例如电池与逆变器。另外，可以将传统地在分开的单元中的其他功能整合到该系统中并且由相同的电子器件有效地执行，例如电池管理和热管理。该解决方案提供了高效率、低成本、以及增大的可靠性。

Description

用于电力供应的设备和方法
发明领域
本发明涉及具体地用于例如对船舶、车辆、飞机等上的电动驱动器中的电池来源的电力供应。
发明背景与概述
本发明描述了以下新颖技术，该技术可以与目前为止例如车辆、船舶和飞机的驱动系统的分离的动力单元相整合。因此可以省略或简化传统的分开的单元包括：
针对一个或若干个电动机器调整电池电压的一个或若干个DC/DC转换器；一个或若干个驱动逆变器，这些驱动逆变器将该一个或多个DC/DC转换器的、或用于一个或若干个AC或多相电动机器的DC电压输出反转；一个或若干个充电器，该一个或若干个充电器可以包括转换器；一个或若干个降压转换器，该一个或若干个降压转换器用以将诸如12V/24V/48V辅助电源总线的低电压包括在汽车中；电池管理系统，该电池管理系统监测、控制和/或均衡例如电量状态、温度、当前负载的功率、和/或电池或独立电池单元的子部分的老化。
现有技术的电动列车、电动船和电动汽车(包括混合电动型、燃料电池电动型、柴油电动型、和电池电动型)典型地包括向至少一个电动机器提供能量的至少一个能量源和/或电储存元件。然而，较早的电动汽车优选地使用DC马达作为电动机器，更新的车辆实施多相AC马达(例如同步机器和感应机器)、并且典型地不能直接用可用的一个或多个能量源元件和/或一个或多个电储存元件所提供的电力来运行。例如，大多数电储存元件使用DC电压，这不与该机器所需的AC电力兼容。此外，用于该机器的AC电力的特性(例如幅值、频率、以及与转子位置的相位关系)决定了该机器的做功点。常规动力传动系的至少一个单独的功率电子转换器在诸如一个或多个电储存元件、一个或多个电源或一个或多个电动机器的单元之间转换电功率、并调节电功率的特性。功率电子转换器将例如DC电压转换成单相、或单相或多相AC电压；将具有一个电压的DC电压转换成具有另一电压的DC电压；或者将AC电压转换成DC电压。此外，通常此类功率电子转换器可以是电流控制的。如果没有进一步指明，术语“转换器”将指代逆变器、整流器以及下文中的转换器。
现有技术严格地将电源以及电储存元件和功率电子转换器分开，如文献[M.Ehsani,Y.Gao,J.M.Miller(2007).Hybrid electric vehicles:architecture andmotor drives.Proceedings of the IEEE,95(4):719-728.]中所示。这种分开通常也表现为每个单独单元的单独的壳体。现有技术中论证了，驱动单元中的电源(例如电池)和功率电子单元(例如逆变器)的分开是非常成熟的、并且本领域技术人员没有任何疑虑，正如由Rozman等人在US 8,536,729中、Schleser等人在US 2013/0317686中、以及Plant等人在US2014/0312619中所支持的。
在许多常规的结合了电池的电动驱动器(例如，电池电动汽车或混合动力汽车)中，所涉及的电池通常具有比所安装的电动机为其峰值功率而应要求的电压更低的电压。例如在电动汽车中，经常使用的是约200V至400V的电池组电压以及约600V至1000V的机器峰值电压，例如由Hatanaka在CA 2806817、Liu等人在DE 10 2012 007 158中、以及Zhu等人在US 2003/0214826中所示。使用比机器峰值电压更低的电池组电压的原因包括在宽的电量状态(SOC)范围内的安全性和稳定性。由于常规应用中的电池组是硬接线的并且因此始终、而且在机器不运行和/或系统关掉时都呈现峰值电压，所以这被认为是主要的安全风险并且在事故的情况下使救援队的工作变得复杂。关于SOC，例如电动车辆的制造商期望在一个或若干机器处甚至对于低的SOC、例如20％至40％SOC都具有额定峰值机械动力和速度。因此，DC/DC转换器可以进一步补偿电池的电压降低以实现机器的要求。
本发明允许消除这样的DC/DC阶段。作为解决方案，可以以多个模块来分布与常规电池组中相同的数目的电池单元，使得针对每个相而言模块电压的总和高于为实现机器中的最大动力所需要的相电压，并且当电池单元的SOC低(例如，20％或40％)时也是如此。例如，如果以800V峰值电压以及图3b和5-7所示的拓扑结构来使用3相电动机器，则对于整个指定的峰值动力SOC范围而言，每个串(也称为模块串、臂、模块臂)中的模块电压必须总计高于800V。由于传统的电池组是由并联和串联的硬接线电池单元构成，所以本发明中总的电池单元的数量可以保持相同。
通过在机器未运行时偶尔将这些模块切换成并联、旁路、或被动模式状态，就可以改善传动系的安全性。因此，在整个系统中任何两个电触点或金属点之间的最高电压是如所描述的当该机器未运行时的最高模块电压。由于模块电压(优选地在0V与200V之间、特别优选地在3V至60V之间)典型地小于电池组电压(典型地在200V至400V的范围内)，这个控制规则与所呈现的系统一起就比常规电池组显著更安全。另外，可以省略在DC/DC阶段中所需要的磁性部件，从而减少了成本、空间以及损失。
在常规的驱动系统中，多个逆变器(例如，多个推挽式半桥级或多级半桥，其中每个是由至少两个半导体开关形成的)各自通常以至少一相并且优选地以三相向该至少一个电动机器提供(通常为交变的)电压输出。在本发明中，这个功能可以通过重新配置这些模块的电互连并且因此重新配置电池连接来实现。因此，本发明可以提供实际上在幅值和频率方面自由控制的AC或多相电压或电流，而无需额外的逆变器。此外，如果这些模块提供了将至少两个模块的纳入电池相连接的并联模式/状态并且以适当的控制方法加以使用，则所比较的本发明的源阻抗低于常规电池的源阻抗。在可以动态地使用的这种并联模式的情况下，与现有技术相比，就可以显著提高效率。
此外，在常规的驱动系统中，至少一个单独的充电单元(a)将经由外部充电连接器提供的电力(AC或DC)转换成适合于电池充电的DC电压和电流；(b)控制电力传输、充电速度、充电方法/协议(例如恒定电流、恒定电压或更复杂的充电方法，以及各自相位之间的变化)；并且(c)检测充电终点。该充电单元通常结合了转换器，这(a)增大了成本；(b)需要空间；并且(c)增加了重量。为了对三个方面都进行节省，充电器通常被额定值确定为比至少一个电动机器低得多的功率，从而导致长的充电时间。
最后，虽然常规系统的一个或若个电动机器需要相对高的电压，但是许多电负载例如灯、控制器、伺服机、驾驶辅助系统以及通信系统(统称为辅助设备)要求低电压电力供应。典型地，12V、24V或48V目前被认为是车辆的标准。船舶、飞机、以及其他载运工具的可比较的额定电压水平与之相偏离但不失一般性。在典型的常规系统中，DC/DC降压转换器允许在驱动电池与这些辅助设备之间进行能量交换。在车辆中，诸如防抱死制动系统(ABS)、电子稳定性程序(ESP)和伺服辅助制动器等若干单元可以快速地将电流增大100A以上并且是与安全性相关的。成本有效的DC/DC降压转换器不可以遵循这样的快速负载波动。因此，至少一个常规的12V、24V或48V汽车电池通常连接到低电压侧以进行过滤和响应，以应对快速负载波动。然而，这种低电压电池(通常是铅酸技术)增加了额外的重量和成本。
迄今为止，本发明典型地将具有固定连接(即，其子部分和/或电池单元通过电串联和/或并联和/或旁路构型进行的电连接)的硬接线电池分成至少两个电池模块。根据本发明的电池模块包括至少一个电池子部分和两个电开关，其中所述至少两个电开关允许动态地改变至少两个电池子部分的连接，如下文所描述的。这样的动态重新配置可以提供至少一个电端子的至少一个电压，例如AC输出、DC输出或任意波形输出。此外，这样的动态重新配置允许不同电池模块之间的能量交换，以支持例如电量平衡。
附图
图1a、1b、1c示出了根据本发明的、结合有至少两个电开关(1105，1106，1107，1108；1207，1208；1307，1308)和至少一个电池子部分(1101，1102；1201，1202；1301，1302)的电池模块的三个实例，该至少一个电池子部分包括以串联和/或并联构型电连接的至少一个电池单元。优选地，所述至少一个电池子部分可以包括至少一个电容器(1102；1202；1302)。
图2a、2b、2c示出了根据本发明的、结合有至少一个电池子部分(2101，2102；2201，2202；2301，2302)的电池模块的三个替代性实例，该至少一个电池子部分包括可以是电容器的至少一个电池单元。
图3a示出了根据现有技术的车辆的动力传动系的实例，该车辆具有：隔离的电池(3101)(典型地具有高电压)；典型地产生两电平或三电平脉宽调制电压(3106)的至少一个逆变器(3105)；可选的DC/DC转换器(3104)；电动机器(3107)(典型地为AC或多相)；电池充电器(3108)；充电插头，例如根据SAE J1772、CHAdeMO或组合充电系统(CCS)标准(3109)；以及一个或多个可选的降压电力转换器(3102)，该降压电力转换器可以将来自高电压电池(3101)的电力转换给一个或多个辅助电力线(3103)并且反之亦然。所有的电连接件都可以装备有额外的开关、断路器和/或熔断器。
图3b示出了本发明的优选实施例，该实施例包括至少一个模块化电池(3264)，该至少一个模块化电池包括：电互连的至少六个电池模块(3265)；在此为12V的辅助电源总线(3255)；由所述模块化电池(3264)提供的、电连接到至少一个电动机器(3257)的至少三个电连接件上的至少三个电池端子。特别优选的实施例进一步包括例如根据SAE J 1772、CHAdeMO或组合充电系统(CCS)标准的至少一个充电连接器(3259)。对于单相AC和DC充电，可以将其至少两个电连接件中的一个电连接件(3267)连接到该模块化电池(3264)的额外电池端子上，例如模块化电池(3264)的通过至少三个电池模块(3265)电互连形成的星形点(3266)，充电连接器(3259)的另一个电连接件(3260)可以连接到该至少一个电动机器的绕组之一的中性点上。具有充电连接器的所有的电连接件可以装备有额外的开关、断路器和/或熔断器。
图4示出了根据本发明的模块化电池实施例的两个电池模块的操作模式子集，这些操作模式包括串联正状态(4001)、串联负状态(4002)、并联状态(4003)、和旁路状态(4004)。
图5a示出了本发明的另一实施例，该实施例包括至少六个电池模块(5101-5112)、至少一个多相电动机器(5113)、至少一条辅助电源总线(5114)(例如具有12V或48V DC)、至少一个用于获得DC或AC电力的充电端子(5115)(其中AC电力包括单相和多相AC电力)、以及至少一个电子控制器(5116)。在这个实施例中，至少一条辅助电源总线连接至少两个电池模块串、优选每个电池模块串的至少一个电池模块、并且因此可以例如在每个电池模块串上实现相等的负载。该辅助电源总线可以包括至少一个电池和/或电容器。
图5b示出了本发明的具有至少一条辅助电源总线(5214)的另一实施例，其中所述至少一条辅助电源总线(5214)包括至少两个充电端子(5217，5218)，这两个充电端子各自连接另一个模块间连接件(5219，5220)，而所述至少两个端子(5217，5218)所连接的所述模块间连接件(5219，5220)优选地属于同一电池模块串(5232)。
图5c示出了本发明的具有至少一条辅助电源总线(5314)的另一实施例，其中所述至少一条辅助电源总线(5314)包括至少两个充电端子(5317，5318)，这两个充电端子各自连接另一个模块间连接件(5319，5320)，而所述至少两个端子(5317，5318)所连接的所述模块间连接件(5319，5320)优选地属于不同电池模块串(5331，5332)。
图5d示出了本发明的具有至少一条辅助电源总线(5414)的优选实施例，该至少一条辅助电源总线包括：至少一个变压器(5423)，该至少一个变压器通过至少一对端子(5417，5418)例如电连接至少两个模块间连接部位(5422；5419，5420，5421)；以及至少一个整流器(5424)，其方式为使得所述至少一条辅助电源总线(5414)与这些模块间连接部位(5422；5419，5420，5421)和电池模块电流隔离。
图5e示出了本发明的优选实施例，其中使至少一条辅助电源总线(5514)与电池模块电流隔离的该至少一个变压器(5523)是多相变压器，该多相变压器在一侧上具有至少两个相，优选地在一侧上具有至少三个相和/或具有与该至少一个电动机器(5513)一样多的相。优选地，所述至少一个多相变压器(5523)进一步包括与形成了至少一个多相整流器(5524)的输入的输入相一样多的输出相。优选地，该多相变压器(5523)的输入端子电连接不同的电池模块串中的多个模块间连接部位(5519，5520，5521)。
图5f和5g示出了本发明的进一步包括至少一个开关(5623)的优选实施例，该至少一个开关允许中断该辅助电源总线(5614)的至少一个端子与它所连接的模块间连接部位之间的电连接。优选地，该至少一个开关可以使用开关调制、例如脉宽调制来操作。
图6示出了本发明的包括至少一条辅助电源总线(6014a，6014b)的另一实施例，该至少一条辅助电源总线通过至少两个端子(6017，6018)电连接到至少一个电池模块(6001)的至少一个电池子部分。优选地，所述至少两个端子可以通过至少一个电开关与所述至少一个电池子部分电分离。该实施例可以包括至少一个变压器。此外，该实施例可以包括产生针对所述至少一个任选变压器的至少一个交替输入的至少一个开关。
图7a示出了根据本发明将独立模块(7102)组合成电源的优选结构。
图7b示出了根据本发明将独立模块(7202)组合成电源的另一优选结构。
图8a示出了包括至少一个电压平衡单元(8117)的电池模块，该至少一个电压平衡单元是由与至少一个电池(8106，8107，8108)电并联的至少一个限制器(8109，8110，8111)构成，其中该至少一个限制器(8109，8110，8111)可以通过将该至少一个电池(8106，8107，8108)放电来至少暂时改变该至少一个电池(8106，8107，8108)的充电阶段、和/或在该至少一个电池(8106，8107，8108)的不同部分之间转移电荷并且还可以不失一般性地实现在例如图1和2所示的任何模块类型中。
图8b示出了包括至少一个电压平衡单元(8209)的电池模块，该至少一个电压平衡单元连接至少两个电池(8206，8207，8208)的至少三个不同电极上，其中该至少一个电压平衡单元(8209)可以通过将该至少两个电池(8206，8207，8208)放电来至少暂时改变该至少两个电池(8206，8207，8208)的充电阶段、和/或在该至少两个电池(8206，8207，8208)中的不同电池之间转移电荷并且还可以不失一般性地实现在例如图1和2中所示的任何模块类型中。
图8c示出了根据本发明的至少一个限制器(8109，8110，8111；8301)的七种不同的实现方式，该至少一个限制器包括：瞬态电压抑制器(8304)；与例如电阻的阻抗(8305)串联电连接的电子开关(8307)；齐纳二极管(8308)；诸如压敏电阻器的电压敏感的电阻器(8309)；电子开关(8311)；以及串联连接开关(8313)上的例如电阻器的阻抗(8312)。
图8d示出了根据本发明的至少一个限制器(8109，8110，8111；8301)的两种另外的实现方式，该至少一个限制器包括至少一个电子开关(8402；8407)，该至少一个电子开关例如通过使用电阻器(8404；8409)和齐纳二极管(8403；8408)、瞬态电压抑制器等而进一步受跨过该至少一个限制器上的电压所控制。
图9示出了本发明的优选实施例，该实施例包括例如八个电开关(9101-9104，9112-9115)、由至少两个电池(9106，9107，9108)组成的至少一个电池子部分、至少一个电压平衡单元(9109)、以及至少一个电流传感器(9120)。优选地，该实施例进一步包括至少一个电压传感器，该至少一个电压传感器可以检测至少一个独立电池单元、和/或至少一个整体电池子部分、和/或至少一个电池子部分的一部分的电压。此外，该实施例可以包括至少一个电池模块电子控制单元，该电池模块电子控制单元处理来自所述至少一个电流传感器和/或所述至少一个电压传感器的信息。可选地，该实施例可以进一步包括至少一个电开关(9121)，该至少一个电开关优选地允许中断电流流入和/或流出至少一个电池子部分。
图10a示出了根据本发明的具有至少一个DC/DC转换输出端的电池模块，该电池模块通过至少一对电端子电连接到至少一条辅助电源总线上。
图10b示出了根据本发明的电池模块，该电池模块结合了多个端子，这些端子将至少一条辅助电源总线连接到该电池模块的至少一个电池子部分上。
图10c示出了根据本发明的具有至少一个电流隔离DC/DC转换输出端的模块，该模块通过至少一对电端子电连接到至少一条辅助电源总线上。
图10d示出了根据本发明的具有至少一个电流隔离DC/DC转换输出端的模块，该模块通过至少一对电端子电连接到至少一条辅助电源总线上。
详细说明和实施方式
本发明将用于电动车辆的牵引电池和多种不同功率电子转换器整合为单一多功能单元。确切地，本发明可以将电池、牵引升压转换器和逆变器、驱动控制、辅助电源总线转换器和用于获得AC和DC电力的高功率充电器加以整合。另外，可以将常规地位于分开的单元中的、诸如电池管理和热管理的其他功能结合到该系统中并且由相同的电子器件有效地执行。该解决方案提供了独特的优点，除其他事项外这些优点包括更高的效率、更低的成本以及提高的可靠性。根据本发明的电池和/或电池子部分是指所有种类的电源和/或储存元件，包括但不限于伽伐尼电池、电化学原电池、电化学二次电池、各种各样的电容器(包括双层电容器、电解电容器、以及陶瓷电容器)、DC发电机、放射性同位素发电机、浓差电池、和燃料电池、以及其电串联和/或并联构型。电池可以包括后者的单一元件、但是典型地包括总体上以电池单元来表示的至少两个元件，这些元件可以具有根据上述列表的相同的种类或不同的种类。优选地，电池可以包括至少六个这样的独立电池单元。根据本文的电池可以进一步包括用于控制和/或监测所述电池单元的电子器件。优选地，所述电池单元是DC源。根据本发明的DC源并非必须要求或多或少的规律性极性改变来进行操作。
根据本发明的模块化电池将现有技术的、通常以具有硬接线配置的电池单元的串联和并联电气构型(例如102个串联连接的单元，每个单元包括七个并联的锂离子电池单元并且典型地提供DC电压)的电池组加以拆分，并且将该电池分割成电池模块，每个电池模块包括整个电池的至少一个子部分(所谓的电池子部分)，其方式为使得可以动态地改变不同电池模块的电池子部分之间的电连接。例如，这样的常规硬接线电池的102×7个电池单元可以分布在至少17个电池模块中，每个电池模块包括至少一个具有6个串联乘以7个并联电池单元的电池子部分。电池模块进一步包括至少两个电开关。结合到模块中的电池子部分本身是电池并且包括至少一个电池单元。优选地，该子部分由可以为任何串联-并联构型的至少四个电池单元组成。
在优选的实施例中，至少两个电池子部分(不同电池模块的各个部分)的电连接可以至少在以下各项之间动态地改变：串联连接，其中一个电池模块的电池子部分的正极与另一个所述电池模块的负电池子部分导电地连接；旁路连接，其中所述模块之一的电池子部分的至少两个极中的至多一个极与任何其他模块的电池子部分的另一个极导电地连接。所述电池模块各自与所述电池模块中的另一个电池模块共享至少一个电互连件。
在另一优选的实施例中，至少两个电池子部分(不同电池模块的各个部分)的电连接可以至少在以下各项之间动态地改变：串联连接，其中一个电池模块的电池子部分的正极与另一个所述电池模块的负电池子部分导电地连接；并联连接，其中至少两个电池模块的电池子部分的正极与所述至少两个电池模块的负极对应地导电地连接。所述电池模块各自与所述电池模块中的另一个电池模块共享至少一个电互连件。
在另一优选的实施例中，两个电池子部分(不同电池模块的各个部分)的电连接可以至少在以下各项之间动态地改变：正串联连接，其中第一个电池模块的电池子部分的正极与另一个所述电池模块的负电池子部分导电地连接；负串联连接，其中所述第一电池模块的电池子部分的负极与另一个所述电池模块的正电池子部分导电地连接；旁路连接，其中所述模块之一的电池子部分的至少两个极中的至多一个极与任何其他模块的电池子部分的另一个极导电地连接。所述电池模块各自与所述电池模块中的另一个电池模块共享至少一个电互连件。
在另一优选的实施例中，至少两个电池子部分(不同电池模块的各个部分)的电连接可以至少在以下各项之间动态地改变：正串联连接，其中第一个电池模块的电池子部分的正极与另一个所述电池模块的负电池子部分导电地连接；负串联连接，其中所述第一电池模块的电池子部分的负极与另一个所述电池模块的正电池子部分导电地连接；并联连接，其中至少两个电池模块的电池子部分的正极与所述至少两个电池模块的负极对应地导电地连接。所述电池模块各自与所述电池模块中的另一个电池模块共享至少一个电互连件。
在优选的实施例中，上述实施例之一进一步包括至少一个AC电动机器。
在优选的实施例中，本发明包括至少一个使用了多个永磁体的AC电动机器。在另一个优选的实施例中，本发明包括至少一个符合异步感应电机原理的电动机器。
在另一个优选的实施例中，上述实施例之一的电池模块中的至少一者进一步包括至少一对端子，这对端子优选地以12V、24V、48V或60V的电压提供受控低压DC电压，这进一步允许实现至少十秒的100A电流流动。该电压可以用于为例如汽车、船舶或飞机的辅助电源总线提供必须的功率。典型地，车辆的辅助电源总线用至少两个端子表示，其中一个端子表示例如十二伏电压的“+”端子，而另一个是通常连接至车身上的“-”端子。常用的行业标准，例如DIN 72552，具体化了可以如何设置车辆中的辅助电源总线以及它们可以包括哪些部件，例如用于辅助电源总线的负端子的所谓的端子31、用于辅助电源总线的正端子的端子30、以及若干相关端子例如端子15。
在另一个优选的实施例中，本发明包括至少一个电池模块，该至少一个电池模块含有至少一个优选12V、24V、48V或60V的低压DC电压的电池子部分，其中所述至少一个电池模块进一步包括至少一对电端子，该电端子将所述至少一个电池子部分中的至少一者电连接到至少一条辅助电源总线上。优选地，该至少一条辅助电源总线的电压等于被通过所述至少一对电端子电连接到所述至少一条辅助电源总线上的该至少一个电池模块的电压。该辅助电源总线可以直接连接到被结合到电池模块中的至少一个电池子部分。
图6呈现了包括至少六个电池模块和至少一个优选地具有至少三相的电动机器的实施例。进一步，这个图中示出了两个电池模块，其中的每个电池模块进一步包括电连接到至少一条辅助电源总线的至少一对电端子。被结合到所述电池模块中的每一者中的至少一个电池子部分通过每个所述电池模块的所述至少一对电端子向辅助电源总线提供电力。由于所述电池模块进一步与其他模块电连接并且允许动态地重新配置被结合到所述模块中的电池部分之间的连接，所以可以与其他模块和辅助电源总线交换电力。本发明没有任何优选的电流或功率流动方向。因此，允许在辅助电源总线与电池之间进行非常高效率的双向电力交换。不一定需要会增大损失的切换控制或磁性部件。
此外，如果辅助电源总线被电连接到具有与所述辅助电源总线相同电压的至少一个电池部分上，则所描绘的实施例和由此推导出的实施例不一定涉及辅助电源总线的开关调制。这基本上简化了控制并且允许。此外，允许辅助电源出现快速且高的负载功率波动，这例如在常规汽车中是关键的问题。快速且高的负载波动导致常规车辆、船舶、飞机等等中实施的DC/DC转换器(需要通过开关调制来主动控制其输出电压和/或功率)到达其极限或极限以上并且在常规系统中对低电压缓冲电池赋予必要性。
优选地，本发明包括至少两个电池模块，每个电池模块含有优选12V、24V、48V或60V的低压DC电压的电池子部分，并且其中每个电池模块进一步包括电连接到至少一条辅助电源总线上的至少一对电端子，并且其中被电连接到所述至少两个电池模块之一上的该至少一条辅助电源总线并没有与所述至少两个电池模块中的任何其他电池模块电连接，因而形成了至少两条独立的电源总线，并且其中本发明进一步包括实现相同功能的至少两个辅助设备，其中至少一组的两个所述辅助设备各自被所述独立的电源总线中的不同总线的电连接件供以电力。
优选地，实现相同功能的该至少两个辅助设备提供安全性功能，例如动力转向(PAS)、防抱死制动系统(ABS)、电子稳定性程序(ESP)、制动控制、乘员安全气囊、以及紧急制动辅助系统、还有针对后面任一项安全性的电子控制单元(ECU)。
辅助设备的安全性和危险性特征典型地由根据国家标准ISO 26262的汽车安全完整性等级(ASIL)规定。辅助设备和更高ASIL等级功能的失效可能造成包括乘员生命在内的重大危害、并且因此预期要提供对抗失效的措施，包括作为装置的辅助设备的失效以及所有具有失效风险的约束条件(例如供电)的失效二者。在本发明中，ASIL C和D辅助设备和/或由ASIL C和D辅助设备提供的功能被认为是与安全性相关的，而对冗余实施和所描述的冗余电力供应的要求从ASIL A到D增大。本发明允许以冗余单元独立地实施安全性相关的辅助设备和/或功能二者，以保证在这些独立情形供电故障之后通过所述独立的辅助电源总线来运行。
优选地，根据本发明的车辆中的所有辅助设备都与安全电力组成组，其方式为使得可能不会同时失效的此类辅助设备通过到独立电源总线的电连接件来供电，这些独立电源总线各自被电连接至不同的电池模块上。
本发明的优选实施例包括至少两个电池模块，每个电池模块含有优选12V、24V、48V或60V的低压DC电压的电池子部分，其中所述至少两个电池模块各自进一步包括电连接到至少一条辅助电源总线上的至少一对电端子，并且其中所述辅助电源总线中的被电连接到所述至少两个电池模块中的第一电池模块上的那至少一条辅助电源总线与所述辅助电源总线中的被电连接到所述至少两个电池模块中的第二电池模块的另一条辅助电源总线相比在电压上相差超过30％。优选地，该电压差大于50％。优选地，所述辅助电源总线中一者的电压比所述辅助电源总线中另一者的电压高了超过2倍。优选地，所述辅助电源总线中一者的额定电压是48V±12V，而所述辅助电源总线中另一者的额定电压是12V±6V。
图5a-5c示出了产生到至少一条辅助电源总线的一个或多个低压连接的额外或替代方式。
根据这些实施例实施的辅助电源总线的关键优点可以是任意形式的输出，例如DC电压、AC电压、以及电流控制的输出，并且辅助电源总线的电压不决定被结合到电池模块中的电池子部分的电压，因为根据这些实施例实施的辅助电源总线的电压和/或电流可以通过对电池模块的切换状态的适当时间控制来控制。
替代地，同样可以将一条或多条辅助电源总线成对连接到将至少两个电池模块电互连的任意至少两个电池-模块互连件上，如图5b和5c所示。此外，将该至少一个辅助电源的端子电连接到至少一个模块互连件上的这些连接点各自可以使得若干不同的电池-模块互连线路缩短。如图5a所示，辅助电源总线的至少一个连接件可以例如使得不同臂的电池模块互连件缩短。这种缩短的重要优点是，若干模块和/或电开关可以并行地操作。
如果一条辅助电源总线的电压是任何串联和/或并联构型的、被结合到电池模块中的一个或多个电池部分的电压，其中所述电池模块是当电流从所述辅助电源总线的一个端子(即，与至少一个电池模块的电连接点)流到另一个端子时必须流过的那些电池模块，则所述辅助电源总线的电压控制被简化并且不需要快速切换调节。而是，该系统可以使用所述模块的提供所需电压的所有这些串联和/或并联构型并在这些构型之间缓慢交替，以便向每个电池子部分提供相似的负载。
优选地，至少一条辅助电源总线与该高压系统、并且与任何电池模块电位隔离。该隔离可以例如通过包括至少一个变压器来实现。此类变压器可以是单相变压器或多相变压器。变压比进一步允许调节电池模块上的电压-电流负载。如图5e所示，多相变压器可以通过δ或星形构型连接到任何电池-模块互连件上；此外，n相变压器的2n个主侧端子可以更为总体地被电连接到任何2n个不同的电池-模块互连件上。
如果辅助电源进一步要求DC电压，则整流器可以将变压器所需的AC输出转换成DC电压。优选地，由至少一个多相变压器和/或多于一个的单相变压器供电的多相整流器可以产生具有较低电压和/或电流纹波的输出电压。根据本发明的整流器可以是将交流电转换成直流电的任何电子单元，例如无源整流器(如二极管整流器)和有源整流器(如切换模式AC/DC整流器)。这样的整流器可以是双向的，以允许将辅助电源总线中的电容放电或从被连接到辅助电源总线上的发电性辅助设备中回收能量。
本发明的另一个实施例包括至少两个电池模块，其中这些电池模块各自包括至少一个电池子部分；该实施例进一步包括至少一条具有至少两个电端子的辅助电源总线，其中至少两个所述电端子各自被电连接到至少两个模块间连接件上。优选地，所述至少两个模块间连接件将至少两个电池模块彼此电连接并且是非相合的(noncongruent)。优选地，所述辅助电源总线中的至少一者的额定电压是直流电压。优选地，所述辅助电源总线中的至少一者的电压进一步是12V的倍数、或者平均起来与12V的倍数相差仅20％。
优选地，该实施例还包括至少一个开关和/或断路器，使得电连接到模块间连接件上的所述电端子中的至少一者之间的电流可以被切断。优选地，所述至少一个开关和/或断路器允许切断任何电池模块与所述辅助电源总线中的至少一者之间的任何电流流动。优选地，所述至少一个开关是半导体开关。优选地，所述至少一个开关可以执行脉宽调制来调节至少一条辅助电源总线的电压和/或经过所述至少一个开关的电流、并且是由至少一个电子控制器来控制。优选地，所述至少一个断路器能够将至少一条辅助电源总线的至少一个端子与至少一个模块间连接件和/或与任何电池模块电流分离。
替代地或此外，该实施例进一步包括至少一个变压器，该变压器具有至少一相、优选具有至少三相。优选地，该实施例进一步包括至少一个AC/DC转换器和/或至少一个整流器，其中的至少一者将所述变压器中的至少一个变压器的输出转换成DC电压。
在优选的实施例中，其电池子部分可以切换成与其他子部分串联从而使得所述至少一条辅助电源总线的所述至少两个端子之间的电压有效增大的那些电池模块的最大电压之和是在所述至少一条辅助电源总线的额定电压的20％之内。
替代地，其电池子部分可以切换成与其他子部分串联从而使得至少一条辅助电源总线的至少两个端子之间的电压有效增大的那些电池模块的最大电压之和超过了所述至少一条辅助电源总线的额定电压，优选地超过了多于25％。
后一个实施例有利地允许通过适当选择所述电池模块的电池模块状态来调节并控制该至少一条辅助电源总线的电压；这样的控制可以是静态的，即，所述至少一条辅助电源总线的电压被设定为没有、或具有极小的(例如，<1Hz)电池模块状态变化；或者是通过开关调制，即，通过在至少两个电池模块状态之间的快速改变，来使得该至少一条辅助电源总线电压的时间平均值满足其额定要求。此外，所述电池模块可能的最大电压越高，就越允许使用并联电池模块状态来减小传导损失、并允许更高电流的能力。
替代地，在连接该至少一条辅助电源总线之处的至少一对点之间的所要求电压可以公式化成取决于电池模块状态和电池子部分电压的方程、并且作为约束条件被添加给动力传动系的至少一个电子控制器，该电子控制器通过选择有待设定的电池-模块状态来决定模块连接的重新配置。
替代地或此外，本发明可以包括至少一个电池模块，该至少一个电池模块结合了通过至少一对电端子而电连接到至少一条辅助电源总线上的至少一个DC/DC转换输出部。图10a示出了来自图1和2的、结合了DC/DC转换输出部(10101)的任意电池模块，该转换输出部提供了用于与至少一条辅助电源总线电连接的端子(10103，10104)。该DC/DC转换输出部(10101)包括至少一个电感(10102)以及至少一个电开关(10105，10106，10107，10108)，该至少一个电开关可以例如作为降压转换器和/或作为降压-升压转换器操作来将以能量储存器(10114)(例如，电池部分)的电压所代表的模块电压转换成不同的电压水平、优选地转换成该至少一条辅助电源总线运行所要求的电压水平。代替根据降压-升压技术的DC/DC转换输出部，可以类似地实施其他DC/DC转换电路，例如降压转换器或升压转换器电路。此外，该DC/DC转换输出部可以使用谐振零电流开关、或零电压开关DC/DC转换电路。
图10b示出了根据本发明的来自图1和2的任意电池模块，该电池模块结合了连接到至少一条辅助电源总线上的端子(10203，10204)。还如图6所示，连接到至少一条辅助电源总线上的所述端子(10203，10204)被连接到能量储存器(10214)的至少两个不同电极上并且因此为该至少一条辅助电源总线提供了对能量储存器的直接电访问。
图10c和10d示出了来自图1和2的任意选择的电池模块，该电池模块包括至少一个隔离的DC/DC转换输出部(例如由至少一个逆变器(10301；10401)以及至少一个整流器(10313；10413)构成)、以及根据本发明的多个端子(10303，10304；10403，10404)，其中所述端子(10303，10304；10403，10404)连接到至少一条辅助电源总线上。该隔离的DC/DC转换输出部包括至少两个电开关(10305，10306，10307，10308，10309，10310；10405，10406,10407，10408，10409，10410，10411，10412)、至少一个变压器(10302；10402)，该至少一个变压器在该电池模块的至少一个能量储存器与所述至少一条辅助电源总线之间提供电流隔离。该整流器的电开关可以在不损失功能性的情况下被实施为半导体整流器，例如二极管(其可以被实施为例如单一二极管、若干二极管)、或桥式整流器，从而对该至少一个变压器(10302；10402)的电输出进行整流，使得这些端子(10302，10304；10402，10404)的极性与该至少一条连接的辅助电源总线的极性相匹配。该隔离的DC/DC转换输出部可以双向地操作、即电力以两个方向流动，如图10c和10d所示；或单向地操作，即电力从该电池模块的至少一个能量储存器流动到该至少一个连接的辅助电源总线或反之亦然。
低电压被认为是小于任何连接的电动机器的最大驱动电压的任何电压。优选地，辅助电源总线的电压小于120V。在特别优选的实施例中，辅助电源总线的电压最大为60V。
优选地，至少一条辅助电源总线进一步包括被电连接到所述至少一条辅助电源总线上的至少一个DC电池。
常规电池组可以被拆分成任意数量的电池子部分，这些电池子部分可以被结合成电池模块从而一起形成模块化的AC/DC电池。独立的电池子部分可以含有仅单一电池单元或多个电池单元。独立的电池模块包括至少两个电开关。电开关可以是例如机械开关、可控电阻器、电子管、以及半导体开关，例如晶体管，包括场效应晶体管(FET)、双极晶体管、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、晶闸管、二极管、光学开关等等。可以用如图4所示的使用六个电子开关的模块来实施这些电池模块。替代地，可以使用其他模块拓扑结构，例如图la-c或2a-c中所示的那些。模块优选地被串联连接成串，如图3、4、5、6和7所示。
电池模块状态，也称为模块状态、模块模式、状态、或模式，是指一个电池模块的至少一个电池子部分与另一个电池模块的至少一个电池子部分之间的电连接。电池模块状态典型地由所涉及的电池模块的这些独立电开关的切换状态决定。
优选地，模块提供至少两种状态：在一个实施例中，在这些状态中有至少一种状态是将所结合的电池与相邻者的串联连接，并且有一种状态是使电流旁路从而使得该电流不对所结合的电池充电或放电。在另一个实施例中，在这些状态中有至少一种状态是将所结合的电池与相邻者串联连接，并且有一种并联状态是允许并联地电连接至少两个模块的电池。
可以将如本文其他地方详细描述的、共有至少两种电池模块状态的同一种类的至少两个电池模块、或者不同种类的至少两个电池模块电连接在其电池模块端子处，从而使得一个电池模块的至少一个电池模块端子(1103，1104；1203，1204；1303，1304；2103，2104，2109，2110；2203，2204，2209，2210；2303，2304，2309，2310)与至少一个其他电池模块的至少一个电池模块端子的各个电连接形成了模块间连接部位(4011，4012，5128，5129)。
通过至少一个电池模块端子形成模块间连接部位的至少两个所述电池模块(其方式为使得所述至少两个电池模块各自与另一个电池模块的至少一个电池模块端子电连接)形成了电池模块串(5232，5331，5332)或根据本发明简称为串。如果通过将各电池模块串的至少一个电池模块端子彼此电连接而使至少三个电池模块串电连接，则这些串形成了根据本发明的电池模块星形体(7101)；所述至少三个电池模块串通过各电池模块串的至少一个电池模块端子电连接之处的至少一个电连接部位可以形成下文中被称为星点(7103)的端子。在本发明的优选实施例中，这样的电池模块星形体包括至少两个电池电端子(7104，7105，7106)，每个端子位于优选地没有被电连接到任何其他电池模块端子上的不同电池模块端子处。至少两个的所述电池电端子可以例如被电连接到至少一个电负载(例如电动机器)的至少两个端子上。
通过本发明，这些电池模块自身可以为至少一条辅助电源总线提供高功率低电压端子。在图3b和图5a-6中示出了适当整合的一种解决方案。对于这个解决方案，将辅助电源的一侧连接到这些串的星点(所有电池模块串在此互连)并且将另一侧连接到一个臂的两个模块之间的互连件上。这个第二点可以是两个模块之间的任何其他地方。优选地，仅一个或两个模块位于该低电压系统的两个触点之间(如图3b所示)。为了在所有串中实现对称负载，还有利的是将该低电压系统的第二连接件也连接到至少一个其他串或所有其他串中的两个模块之间的等效点上。优点来自于以下事实：这种方式可以从每个串中获取相同量的能量，而无需额外的平衡。后者在图3b中示出。
在这些模块在相邻模块之间具有多于一个电互连件的情况下，该低电压系统可以连接到这些电互连件中的一者或多者上。在其连接到仅一条线路的情况下，可以维持这些模块的潜在的并联连接状态。
该电子(驱动)控制器将这些端子控制到所要求的低电压上，例如12V、24V、48V。这些端子的低电压条件相应地是该电子控制器的额外控制方程、并且可以类似地根据机器相电压来控制。位于该低电压系统的两个触点之间、并且因此控制该低电压系统的幅值的这些模块可以具有比臂中的其余模块更低的运行电压，但是并非必须如此。脉宽调制允许在该低电压系统的端子触点之间的这些模块具有比该低电压系统更高的峰值电压的情况下进行降压转换和准确控制。可以包括低电压电池。由于来自该高电压模块化主电池的高电力供应，可以减少、在许多情况下可以省略这样的低电压电池、或者将之替换成具有较低重量的电容器。
替代地，该低电压系统可以被结合到一个或若干个对应的低电压模块中(参见图6和10b)。对于这个解决方案，图1和2中的黑框(1101，1201，1301，2101，2201，2301)表示该低电压系统，包括所有负载(单元)。相应地，该低电压系统被连接到模块的电能储存器的端子上。该驱动控制器将这些模块中的模块电压控制成所要求的低电压(例如，12V、24V、48V)。该模块可以含有电池、电容器、或等效的电储存器。这个解决方案允许与其余模块进行快速且高功率的能量交换。此外，可以实施若干个这样的模块以提供独立的电压源。在后者的背景下，安全性相关的负载可以独立于较不相关的负载，例如供暖、声音或通信，以使得安全性相关的单元对于电压下降以及由较不相关的单元造成的其他电压稳定性问题(这是目前汽车中的主要问题)是更鲁棒的。此外，安全性相关的功能性——其要么是出于冗余性而由多个独立单元(每个单元可以维持功能性的至少某个部分并且用作所有其他单元例如制动器的备用单元)提供的、要么是具有专门的备用单元(在损坏情况下这些备用单元可以替代主单元)——可以由不同的单元或低电压系统供应，以便降低在这些模块之一失效、或者与相同来源相连的另一个单元汲取太多电流并导致电压下降或关机的情况下发生故障的风险。这些模块不必位于这些电池模块串或臂中的特定位置处。然而，使第一模块位于星点(所有串在此彼此连接)具有的优点是：可以很好地限定参考电势。
优选地，根据本发明的模块能够使它所包括的该至少一个电池子单元安全地且在足够优越的条件下——即，在所述至少一个电池子单元的规定的电量状态范围和/或规定的电压范围和/或规定的电流范围和/或规定的温度范围内——运行。其他物理和/或化学参数范围可以是优选的。在后者包括多于一个电池单元的情况下，优选地所有独立的电池单元也都应在其规定的运行范围内运行。然而，虽然被组合在该至少一个电池模块中的不同种类的电池单元可能由于其不同的化学和/或物理性质而例如趋向于不同地放电和/或提供不同量的功率和/或面临不同的负载，但相同类型的电池单元例如由于生产公差、不同的老化、或在其位置处的不同的环境条件(例如温度)而显示出类似的差异。虽然电池模块的至少两个开关(这些开关可以改变不同电池模块的电池子部分之间的电连接)容易地允许平衡(除其他参数之外)充电和放电、独立负载共享、或对独立电池模块和/或电池子部分的加热，但它们一般不能在电池子部分的部件(例如电池单元、或至少两个电池单元的电聚集体)的程度上提供这样的平衡。根据本发明，在本发明的包括至少一个均衡单元的优选实施方案中，可以控制电池子部分的独立部件的不相等的充电和/或放电条件、或有意地控制不同充电和/或放电条件。
根据本发明的均衡单元具有用于将来自特定电池子部分的至少一个电池单元的电荷转移到所述电池子部分的至少一个其他电池单元的装置，以典型地实现独立充电状态和/或独立健康状态和/或独立温度和/或独立电压的某种规定的(例如，在给定范围内相等的、或有意地不同的)分布。如果这样的电荷转移是通过绕过至少一个电池单元的充电和/或放电电流来进行的，则可能会有明显的能量损失，因为所转移的电荷一般会失去数量上等于该电量与所绕过的至少一个电池单元的电压的乘积的能量。典型地，使用这种方法的实施方案采用电阻器来将所述能量损失作为热量耗散。替代地，所述电荷转移可包含允许以较低损失来实现电荷转移的至少一个中间载体，例如磁场和/或电场。典型的电路包括专用于该均衡单元的至少两个电开关、并且包括至少一个电感和/或至少一个电容。
图8a-d和9示出了根据本发明的均衡单元以及均衡单元的部件的实例。图8a示出了包括相同种类的至少两个均衡子模块的均衡单元的实例。该至少一个电池子部分包括至少一个电池单元(8106，8107，8108)以及具有至少一个均衡子模块(8109，8110，8111，8301)的至少一个均衡单元，该至少一个均衡子模块典型地并联电连接到至少一个电池子部分的部件上、优选地并联电连接到独立的电池单元上。优选地，至少一个均衡子模块(8109，8110，8111，8301)被并联电连接到至少一个电池子部分的每个独立电池单元(8106，8107，8108)上。在图8b中，该至少一个均衡单元(8209)不能拆分成相等的子单元。优选地，至少一个均衡单元进一步包括至少一个电子控制单元。该至少一个电子控制单元可以与至少一个电池模块电子控制单元集成。优选地，该至少一个电子控制单元控制至少一个均衡单元的至少一个电子开关。
图9示出了根据本发明的电池模块的另一个实例。该图中示出了在此具有四个开关(9101-9104，9112-9115)的电池模块，这进一步允许如上文描述的并联连接。然而，该实施例可以等效地使用具有至少两个电开关(9101-9104，9112-9115)的、允许动态地改变不同电池模块的电池子部分(9117)之间的电连接的任何其他构型，如本说明的其他地方详细限定的。电池模块的该至少一个电池子部分(9117)如图所示可以包括至少一个电池单元(9106-9108)，各自具有串联和并联连接的任意电构型的相同的类型。替代地，电池子部分可以同时包括不同类型的电池单元。
所述电池模块可以进一步包括至少一个电流传感器(9120)。优选地，这样的至少一个电流传感器各自检测流入和/或流出至少一个电池子部分(9117)的电流和/或经至少一个模块间电连接件进入电池模块中的电流。
根据本发明的模块此外优选地包括至少一个电压传感器(9109)。所述电压传感器可以检测一个或多个单独电池单元的至少一个电压、和/或以任何电构型的串联和/或并联连接进行电连接的至少两个电池单元的聚集体的至少一个电压、和/或至少一个电池子部分的至少一个电压。
优选地，根据本发明的模块进一步包括至少一个电池电子控制单元。电池电子单元优选地包括至少一个集成电子电路和/或至少一个集成电路。
此外，根据本发明的模块进一步包括至少一个电荷均衡单元。在优选的实施例中，所述至少一个电荷均衡单元允许对至少一个电池子部分的部件、和/或至少一个独立电池单元、和/或具有至少两个电池单元的至少一个独立聚集体选择性地充电和/或放电。在另一个优选的实施例中，所述至少一个电荷均衡单元允许对至少一个电池子部分的部件、和/或至少一个独立电池单元、和/或具有至少两个电池单元的至少一个独立聚集体选择性地充电。利用至少一个这样的电荷均衡单元，本发明可以例如确保：至少一个电池子部分内或电池子部分的任何部件内的所有电池单元都以给定的公差具有相似的电量状态和/或电压，即使由于不同的电荷泄漏特性和/或不同的电容和/或不同的内电阻和/或不同的电池单元技术和/或不同的老化和/或其他物理和化学参数，而使得所述电池单元中的至少一个电池单元以与所述电池单元中的至少一个其他电池单元不同的速率充电和/或放电也是如此。此外，利用至少一个这样的电荷均衡单元，本发明可以进一步允许在至少一个电池子部分内组合不同类型的电池单元，例如将电化学二次电池与电容器组合、或将具有不同峰值功率与峰值能量含量之比(所谓的P/E比)的电池单元进行组合。利用至少一个这样电荷均衡单元，本发明可以进一步有意执行某些给定的不同充电和/或放电速率。后者可以允许例如在同一电池子部分中组合具有不同电流能力的电池单元。
可以使用例如至少一个可变电阻器例如压敏电阻器、齐纳二极管(8304)、瞬态电压抑制器(8304)、或可变电阻(8309)，或至少一个电开关(8306，8313，8310，8402，8407)(该至少一个电开关可以与电阻式和/或电感式和/或电阻与电感混合式元件(8305，8312，8404，8406，8409)组合)来实施均衡单元。有利地，无源元件例如可变电阻器不要求额外的电子控制器、并且可以例如确保独立电池单元和/或电池单元聚集体和/或至少一个电池子部分的至少一个电压不超过某个水平，例如对应电池元件的最大电量状态的等效电压。如果添加至少一个电开关、优选地至少一个半导体开关，则可以增大该均衡单元的电流能力。该至少一个开关的状态(即，很好地导电、不导电、以及潜在的具有或多或少受限的导电性的若干中间状态)可以由至少一个电池电子控制单元、和/或无源元件例如可变电阻器来设定，如图8d所示。图8c和8d所示的所有电荷均衡单元及其部件包括至少两个电端子(8302，8303)，该至少两个电端子可以用于将多个特定电路之一并联电连接到电池单元、具有任意串联和/或并联电构型的至少两个电池单元的至少一个聚集体、或该电荷均衡单元或电荷均衡单元的部件将作用于其上的至少一个电池子部分上。均衡单元8401例如有效地使用至少一个电子开关(8402)来使得至少一个电池(例如至少一个独立电池单元、具有任意串联和/或并联电构型的至少两个电池单元的至少一个聚集体、或至少一个电池子部分)放电和/或使电流旁路，其中除其他手段之外所述开关可以潜在地是由至少一个电阻器(8404)与至少一个可变电阻器例如齐纳二极管(8403)或瞬态电压抑制器的组合来激活的。如果电路8401的端子上的电压低于该至少一个齐纳二极管(8403)的击穿电压，则电阻器(8404)例如下拉电阻器保持该至少一个电开关(8402)的栅-源电压低于该至少一个电开关(8402)的激活阈值，使得优选地仅有可忽略的电流在流动。如果电路8401的端子之间的电压超过所述击穿电压，则流经所述至少一个齐纳二极管(8403)的电流可以超过流经所述至少一个电阻器(8404)的电流，使得电荷在该至少一个电开关(8402)的栅-源电容处累积并且将其加载到高于该阈值电压。对于n型场效应晶体管，如该实例所示，可以引发流经该至少一个电开关(8402)的显著电流流动。电路8405示出了优选的实施例，其中，对经过该至少一个电开关(8407)的电流路径添加了至少一个电阻器和/或至少一个电感器和/或至少一个混合式电阻-电感元件(8406)，使得经过所述至少一个电开关(8407)的电流受限制和/或使得该至少一个电开关(8407)的潜在热应力减小。
此外，电池模块可以包括至少一个温度传感器例如热变电阻器(例如含铂)、PTC元件、或NTC元件。该至少一个温度传感器可以测量至少一个电池子部分(9117)的温度、和/或至少一个电池单元(9106-9108)的至少一个温度。至少一个温度传感器所检测的温度可以被至少一个电池模块电子控制单元进行处理。
来自所述至少一个电流传感器(9120)和/或所述至少一个电压传感器和/或至少一个温度传感器的传感器信号可以例如被至少一个电池模块电子控制单元接收和/或处理和/或逻辑组合。优选地，此类传感器信号和/或若干此类传感器信号的逻辑组合和/或基于此类传感器信号的经处理的信息和/或基于此类传感器信号的决定进一步被电传输到至少一个中央电子控制单元，该至少一个中央电子控制单元可以接收和/或处理来自多于一个电池模块的电子信息。此外，此类传感器信号和/或若干此类传感器信号的逻辑组合和/或基于此类传感器信号的经处理的信息和/或基于此类传感器信号的决定的至少一部分优选地被电存储在至少一个电子存储器中。所述至少一个电子存储器可以是车载诊断(OBD)单元的一部分。
电池模块可以进一步包括至少一个电开关(9121)，该至少一个电开关优选地允许中断电流流入和/或流出至少一个电池子部分。至少一个此类开关的状态可以例如在以下情况下改变：如果(a)流入和/或流出至少一个电池子部分的电流超过了某个极限、和/或如果(b)流入和/或流出至少一个电池子部分的电流的时间增大速率超过了某个极限、和/或如果(c)至少一个电池子部分的温度超过了某个极限、和/或如果(c)至少一个电池子部分的温度的增大速率超过了某个极限、和/或(d)如果至少一个电池单元和/或至少一个电池子部分的至少一个电压超过了某个极限、和/或如果至少一个电池单元和/或至少一个电池子部分的内电阻超过了某个极限。
常规的安全机制使用电池监测与热控制系统，这些系统通常位于一个或几个中央电子控制单元中。然而，热监测的长响应时间通常不足以检测临界情形，例如电池单元着火，而是仅能防止可能使此类事件更有可能的不利条件，例如电池在高温下操作。此外，切断独立电池单元或任何电池子部分是不可能的。对有问题的或临界情形的唯一响应是切断整个电池。然而，储存能量的负载，例如电感负载以及具体地电动机器，不允许快速隔离所连接的电池。尤其是永磁体机器趋向于在如果电压下降的情况下将能量拉回到其至少一个电池中、并且之后毁坏其他的设备，例如驱动逆变器。
在本发明中，安全系统可以监测多个参数。这样的监测可以例如实施在电池模块上并且通过切断电池模块来立即作出反应，在此情况下这意味着将该电池模块切换到未激活模式状态、或者在优选实施例中通过使用旁路模式状态来将其隔离以使得流经该模块的所有电流都绕过被结合的至少一个电池部分—而不使电池短路，这典型地是常规电池管理系统允许将电流绕过电池的电池单元或子部分的唯一选择。可以用于关于电池单元或模块水平作出决定的参数是例如：电压、电流、温度、湿度、机械应力、压力、电池单元阻抗、以及衍生的参数例如电池健康状态(soh)、电量状态(soc)、负载历史、以及老化。
感测电池子部分或子部分的一部分的输出电压的、优选在电池单元的水平上进行的电压检测可以检测过低电压(即，低于预期或低于所监测电池的规定健康范围的电压)、以及由于非预期高电流(短路)或电池单元中可能引起热逃逸的化学反应而造成的电压陡降。优选在电池单元的水平上测量电池子部分或子部分的一部分的电流流入和流出的可选的电流传感器可以检测高电流和短路，后者对于电池的健康状态是有害的并且可能引起热逃逸。这样的检测或监测系统可以实施有数字电子器件，例如至少一个微控制器；模拟电子器件、或数字与模拟电子器件的组合。
如果检测到的例如过低电压或高电流问题在切断了对应电池模块(优选地切换成未激活或旁路状态)之后消失并且优选地在某个时间段期间未能重现，则在规定的时间之后可以通过返回到激活状态、例如它在检测到该问题之前的最后状态而进行“重新连接”。如果该问题重现了一次或若干次，则可以进行更长的或最终切断以避免在切断与激活模式/状态之间的振荡。
为了提前检测临界事件，模块的安全系统可以优选地在检查到的值或对应微分信号超过了或下降到低于某个阈值的情况下、该信号遵循或替代地未能遵循某种时间图案的情况下、或同时发生若干特定事件的情况下作出反应。实例为以下事件之一或其组合：例如是由至少一个电压传感器(其后面有至少一个微分器和至少一个阈控器(thresholder)和/或施密特触发器和/或阈控开关，所有这些可以实施在数字电子器件、或数字与模拟电子器件的组合中，或优选以模拟电子器件来实施以获得低价格和高速度)检测到电池单元的电压输出陡降；
例如是由至少一个电压传感器(其后面有至少一个阈控器和/或施密特触发器和/或阈控开关)检测到电压下降到低于某个极限；
例如是由至少一个温度传感器如NTC、PTC或电阻传感器(其后面有至少一个微分器和至少一个阈控器和/或施密特触发器和/或阈控开关)检测到一个或多个温度的陡升；
例如是由至少一个温度传感器(其后面有至少一个阈控器和/或施密特触发器和/或阈控开关)检测到一个或多个温度超过某个限值；
例如是用至少一个电流传感器(例如，分流电阻器和/或电流钳和/或电流磁传感器)、至少一个微分器、以及至少一个阈控器和/或施密特触发器和/或阈控开关检测到至少一个陡升电流；
替代地，在检测到电流变化的情况下，可以将至少一个已有微分电流传感器、具体地电流磁传感器(例如，电流钳)与至少一个阈控器和/或施密特触发器和/或阈控开关一起使用；
至少一个电流超过某个阈值(无论作为绝对值还是带着符号)，例如是由电流传感器与其评估电子器件一起(其后面有由阈控器、施密特触发器、或阈控开关)来检测到；
至少一个电池阻抗超过某个阈值，例如是由至少一个电流与电压测量、至少一个除法器、以及至少一个阈控器来检测到；或者是通过将至少一个振荡器解谐来检测到；或者通过对短路电测试脉冲的动态响应来检测到。
后者的组合可以在独立阈控器之后形成，例如与逻辑电子器件如74xxx、54xxx、84xxx、4000或4500逻辑家族组合，或者通过将阈控器之前的模拟信号优选地与模拟功能(例如加法器、减法器、乘法器等等)进行组合。此类检测单元的输出信号可以立即致动这些模块开关、通常为晶体管，同时具有高于数字侧(例如，存储器)上的模块状态的优先级、或者覆写该模块状态。前者可以在开关的栅极处将开关上拉或下拉来实现。
优选地，致使该系统动作的传感器数据和/或事件(例如以上列举的事件)被数字地传输到至少一个数字电子控制单元(ECU)和/或被存储在数字存储器中。此外，致使该系统动作的传感器数据和/或事件(例如以上列举的事件)被数字地传输到至少一个车载诊断(OBD)电子控制器。
本发明的优点在于，这样的安全措施可以在电池单元或电池模块的水平上实施并且不必涉及中央控制器。此外，这种实现方式可以是非常简单的，不需要微控制器或类似的复杂的数字或混合信号电子部件。因此，可以将响应时间最小化以实现快速动作来应对临界状态，例如在热逃逸无法阻止或蔓延至其他电池单元之前可能潜在地经历热逃逸的电池单元。
此外，分布式手段不要求潜在的隔离(例如，用光耦合器、信号隔离器、或类似元件)来与一个或多个中央控制器通信。为了进一步简化监测与安全电路，这些传感器不必准确监测以上列举的参数中的一个或多个、而是可以仅已经在检测侧上执行阈控或图案检测来对某些时间特征作出响应。也可以对多于一个参数的组合(例如，温度与电压)进行阈控。与具有高采样速率和高准确性(即，位速率)的连续监测相比，本发明可以节省通信总线上的昂贵带宽。
用于这些安全装置的电力供应可以从模块能量储存器、例如所结合的一个或多个电池单元中汲取。如果电池模块的默认状态是旁路状态，正如在优选的实施例中，则不存在电池模块中的电力供应故障并且因此不工作的安全装置可能损害安全性的风险。电池模块的默认状态是指电池模块在被初始化和/或未被供电时所采取的状态。
在优选的实施例中，现有中央驱动控制器不一定要求获取关于模块被切断的信息，从而降低成本和复杂性。如果所有电池单元的仅一部分受局部切断的影响(例如，未激活的或旁路模块)，则该实施例中的至少一个中央控制器可以检测独立电池模块的切断，例如通过该机器处的总臂电压的电压下降、或通过忽略在被致动时一个模块对系统电压的影响。这种下降通常不会显著影响性能并且可以在该电子控制器成功检测到它时被快速补偿。
此外，该电子驱动控制器(可以是中央单元或分布式系统)可以考虑多个参数，例如健康状态、温度、电流负载历史、电流负载、机械应力、以及机械应力历史，来平均计算出多个电池单元或模块之间的潜在差异。因此，该电子控制器可以例如较少地使用暖热的电池单元或电池模块，例如当电流高时将它们更长时间地保持在旁路或并联状态下、而不是使它们处于串联激活状态下，在这种状态下其温度可能持续或升高。
例如电动车辆、船舶、火车和飞机中的电动动力传动系的具体的安全问题是意外或车祸的情况。由于这样的车祸，车身可能破损，动力传动系和其他电气部件可能是可触及的，并且高电压触点可能是可触摸的。此外，高电压部件可能接触金属车身或其他金属部件而将这些部件置于电压下，从而使乘员以及救援人员都存在危险、和/或使电池短路。由于此类电池使用高电压短路电流可能大(潜在地超过几千伏)、造成电池的快速升温、并且具有热逃逸和爆炸的风险。
相比之下，本发明可以被快速切换到低电压，例如是通过将所有电池模块中的大部分切换到旁路状态，即，使电流绕过相应的电池子部分或关掉、在检测到车祸的情况下将相应电池模块的所有电开关关掉。因此，该系统中的任意两个金属点之间的最高电压低于运行过程中的运行电压。如果这些电池子部分的最大电压足够低，救援人员或乘员甚至可能能够触摸该系统中的触点而没有重大风险。此外，这个较低电压得到了较低的短路电流、以及低的热逃逸风险。尽管一些电开关可能由于撞击而破损并且变得导通，但更大数量的电开关变得受损而以受控的方式使得受损且导通的开关将至少两个模块转变成串联状态使得电压升高、而非仅使独立电池单元短路的这一风险小到可忽略。
本发明可以包括至少一个加速度传感器(也称为加速度计)，例如微机械加速度传感器，该传感器监测作用于本发明的加速度。在加速度超过某个阈值的情况下，至少一个电子控制单元可以检测车祸，因此将本发明转变成上述安全状态。替代地，如果加速度改变，即，加速度的时间导数超过某个水平，可以检测到车祸。替代地，如果加速度随时间显示出与预定义加速度图案(即，撞击曲线)的相似性，可以检测到车祸，其中这种比较可以使用相关性。相反，至少一个电子单元可以通过从另一个辅助单元(例如，安全气囊控制器)接收车祸消息来检测车祸。
除了对已经在发生的并且因此可检测到的车祸作出响应，至少一个电子控制单元还可以在车祸可能非常有可能(例如制动高于某个阈值，例如紧急制动)时将该系统切换至安全状态。
优选地，充电可以使用该可重新配置的电池(即，本发明)的转换器功能。然而，充电不能意外地运行该至少一个电动机器，例如同时对其供电。这可以用若干方式实现：
例如，来自至少一个外部充电连接器、例如来自SAE、CCS或CHAdeMO插头的电触点可以被直接连接，而不需要额外的充电器、转换器、或逆变器。DC电、AC电、或具有两个电连接件的任何电压曲线可以被连接成：一个电端子被电连接到这些电池模块串的至少一个星点(参见图3b中的电池模块串的左侧)，而另一个电端子被电连接到至少一个机器的至少一个中性点上。在这种构型中，保证了该机器不旋转，而不需要开关或断路器(但可以添加这样的部件)，从而节省了成本、空间、以及损失。在该情况下机器电感可以用作滤波器。在充电模式中，该实施例可以作为充电器和/或转换器本身运行、并且可以对电池充电或将能量从电池馈送到电网。充电功率额定值优选地与驱动功率额定值一样高。虽然最成熟的系统目前低于10kW，但这个系统相应地可以以100kW充电。此外，该充电电源不必具有非常特殊的特性，因为该系统能够与任何形式的电压相适配，只要峰值电压不超过某些最大水平。
替代地，可以将一个充电端子电连接到一侧上的这些电池模块串的至少一个星点上，而可以将另一个充电端子电连接到通过将至少一个、优选所有电池模块串的远侧的这n个电池模块端子例如用至少一个开关或断路器短路所形成的第二触点上。替代地，可以将一个充电端子电连接到由这些电池模块串形成的至少一个星点上，而可以将另一个充电端子电连接到通过将至少两个、优选所有电连接到至少一个电动机器上的端子短路所形成的第二触点上。优选地，所述开关或断路器不需要能够中断电流流动，即在电流流动时是开路，从而显著降低了成本。
对于多相充电，即，对于提供多于两个电端子的充电电源，优选地对于三相充电，根据本发明存在若干选项。
在多相充电的优选实施例中，充电电源的Nc个独立端子可以电连接到任何Nc个不同的电池模块互连部位上；优选地每个电池模块串的至少一个电池模块互连部位被电连接到该充电电源的所述Nc个独立端子中的至少一个独立端子上。
被电连接到该充电电源的所述独立端子中的至少一个独立端子上的这些电池模块互连部位被称为电池模块充电节点。优选地，必须从一个电池充电节点传递到下一个电池充电节点的电互连电池模块的数量是彼此相似的；优选地，必须从一个电池充电节点传递到下一个电池充电节点的电互连电池模块的数量彼此相差不超过25％。
另一个优选的实施例包括三个电池模块串，其中所述三个电池模块串中的每一个电池模块串的至少一个模块互连部位被电连接到充电电源的至少一个端子上，并且其中将这些电池模块串电连接到至少一个电动机器上的这些电端子可以通过至少一个电开关和/或电气断路器而彼此电连接。
在优选的实施例中，至少一个外部充电电源的至少一个电端子可以通过电开关或断路器被断开电连接。优选地，至少一个外部充电电源的所有电端子都可以通过电开关或断路器被断开电连接。
优选的实施例包括将来自至少一个外部充电电源的功率流与至少一个电池子部分电流隔离的至少一个变压器。优选地，在所述外部充电电源与该模块化ac/dc电池的任何电触点之间不存在电流连接。在特别优选的实施例中，所述至少一个变压器是至少一个多相变压器。
优选的实施例包括将来自至少一个外部充电电源的、进入到至少一个电池子部分中的功率流加以电流隔离的至少一个变压器、并且进一步包括在该外部充电电源进入该至少一个变压器之前增大该外部充电电源的频率的至少一个高频转换器。优选地，该至少一个高频转换器使用AC/AC频率转换器电路。优选地，该至少一个高频转换器包括至少两个电子开关。优选地，该至少一个高频转换器对于该至少一个外部充电电源的每个相端子包括至少一个半桥。
为了对结合到电池模块中的电池子部分充电，本发明最有利地与该外部充电电源的电压和/或电流时间曲线同步。这可以意味着，该电子控制器操作这些模块，使得在本发明的、电连接该外部充电电源之处的这些点之间的电压被控制为上至预定义的差值地遵循外部充电电压。因此，本发明产生的电压可能不是准确地遵循充电电压，而是例如较低。充电电压与本发明的、电连接该外部充电电源之处的这些点之间的电压之差遵循该控制器的规则法则(例如，恒定电流或恒定电压)并且通常是通过数学表示来提供的。流入该模块化电池中的电流是由电压差值、以及电池和该电路中的其他元件的阻抗、电感、以及电容来确定的。存在两个特别有利地用于控制的替代方案：
1)本发明和/或其至少一个电子控制器检测描述该充电电源的时间曲线的某些参数(尤其是以下问题的答案：是AC吗？DC吗？是多相电源吗？是电压源吗？是电流源吗？其具有哪个频率？电流相位角是多少？具有怎样的幅值(电压或电流)？)，并且接着将本发明的、电连接该外部充电电源之处的这些点之间的电压同步。未来需要的电压是通过参数模型使用初始检测到的参数来预测。这些参数被定期或连续更新。这样的模型可以是例如正弦电压其中峰值电压V峰、角频率ω和相位角是检测的参数、并且时间为t。优选的实施例检测至少两个参数，包括充电电源的电压和/或电流的幅值和频率。
2)替代地，电子控制器可以将本发明的、电连接该外部充电电源之处的这些点之间的一个或多个电压恒定地控制为瞬间充电电压。这种途径更具一般性并且原则上可以用具有的电流和电压最大值在规定极限之内的电源、还有在用于替代方案1的参数模型之前使用具有尚未规定的电流或电压时间曲线的电源进行充电。用户不必设定或编程任何参数、而是可以简单地连接该充电连接器。
3)替代地，在本发明的优选实施例中，本发明的该至少一个电子控制单元通过使用电子通信信道将关于所需充电参数(例如电压、电流、DC/AC、频率、和/或相)的信息发送到该充电电源的至少一个电子控制单元，和/或本发明的该至少一个电子控制单元通过使用电子通信信道从该充电电源的至少一个电子控制单元接收关于所需充电参数(例如电压、电流、DC/AC、频率、和/或相)的信息。
可以同等地应对电流受控的充电电源，而本发明的电子控制器优选地控制其电池模块的电流，而不是电压。
从独立电池子部分或电池单元的角度来看，可以按任何已知的协议、例如用恒定电流、恒定电压、某些电流或电压受控的时间曲线、以及以更复杂的目标来进行充电。由于本发明可以相对于外部充电电源充当功率转换器，因此这些充电控制目标在大多数情况下是独立于该外部充电电源的特性的。也可以使用DC恒定电流外部充电电源来进行恒定电压充电，例如在模块的水平上。
可以对于每个电池单元和/或电池子部分独立地执行这些充电目标。在此情况下，该电子控制器对于至少两个电池模块、优选地对于每个电池模块具有充电条件。其组合可以自动得到提供与该外部充电电源相接的电流或电压的总体条件。替代地，这些充电目标可以是每个臂或整个模块化电池的平均值。在此情况下，这些充电条件(例如整个模块化电池的电流和/或电压)被控制为所希望的状态，而每个模块的充电电流或电压通过使多种电池模块状态适当地交替而被调整成使得电荷根据预定义水平进行分布，优选地均匀分布。这样的交替可以是独立的并且确保在统计上相等的分布、或者通过考虑每个模块的电量以及对于转动的控制法则来使之均匀化。
应注意的是，所提出的系统还可以提供隔离，如果需要的话。许多关于AC充电的国际标准和规定要求，将车辆电气系统与电网隔离。这可以通过实施至少一个整流器级、可能地至少一个功率因素校正级(该级也可以由至少一个DC/DC级提供)、以及至少一个DC/DC转换器来实现。所述至少一个DC/DC转换器优选地使用高频变压器来提供隔离。主(连接电网的)侧将优选地由至少一个电开关半桥或至少一个电开关全桥形成。副侧则优选地由所提出的拓朴结构形成，其中变压器的副侧连接到已经讨论的用于充电的电连接点之一上，如图3b所示。
本发明的具体实施例包括至少两个电池模块，其中每个电池模块可以产生至少两种等效切换状态，即不同模块的电池子部分如何电互连的状态，并且每个电池模块包括至少一个电能储存元件，其中该至少两个模块各自包括至少一个电开关，该至少一个电开关允许将一个模块的该至少一个电能储存元件与另一个模块的至少一个电能储存元件的连接加以改变，而所述连接是由该切换状态决定的。
优选地，上述实施例的该至少两个电池模块可以产生的该至少两种等效切换状态是在以下情况之中：
通过适当地切换这两个模块各自的该至少一个开关，使一个模块的该至少一个电能储存元件与能够释放和/或吸收另一个模块的电能的该至少一个电气元件导电性地串联连接；
通过适当地切换这两个模块各自的该至少一个开关，使一个模块的该至少一个电能储存元件与能够释放和/或吸收另一个模块的电能的该至少一个电气元件导电性地并联连接；
通过适当地切换此电池模块的该至少一个开关来绕过这个电池模块的该至少一个电能储存元件，这意味着能够释放和/或吸收所述模块的电能的该至少一个电气元件的该至少两个非相合电触点中不超过一个电触点被导电连接到另一个模块的该至少一个电能储存元件上。
在本发明的优选实施例中，上述实施例的所述至少两个电池模块中每一者中的所述至少一个电能储存器是具有至少3Wh的能量含量的电化学能量储存单元。
在本发明的另一个优选实施例中，所述电能储存器中的至少一者是双层电容器，其中能量被储存在亥姆霍兹电荷双层中。
在本发明的另一个实施例中，至少两个能量储存器使用不同的储存类型，使得它们在以下特性中的至少两种特性方面相差至少50％：
能量容量；
每质量密度的能量容量；
每质量密度的峰值功率；
耐久性；
运行电压范围；
最大指定电流上升时间；
指定峰值电流；
成本。
本发明的另一个实施例包括至少一个电动机器。优选地，所述至少一个电动机器是电动马达。
在本发明的优选实施例中，上述实施例之一的所述至少一个电动马达是交流机器。
在本发明的另一个优选实施例中，上述实施例之一的所述至少一个电动马达是三相机器。
在本发明的另一个优选的实施例中，上述实施例之一的所述电动马达具有的运行电压为由具有最高模块电压的相应模块的电能储存元件形成的模块电压的至少四倍。
本发明的另一个优选实施例进一步包括用于连接到至少一条辅助电源总线上的至少一个电端子。
在本发明的另一个优选实施例中，上述实施例之一的所述至少一条辅助电源总线使用的电压为12V的倍数。
在本发明的另一个优选实施例中，该至少一个低电压直流电系统中的至少一者含有以所述低电压直流电系统的电压运行的单独的电能储存器。
在本发明的另一个优选实施例中，用于连接到至少一条辅助电源总线上的至少一个电端子是由至少一对节点形成的，而每一对节点是由模块之间的至少两个不相同的电连接件形成的。
在本发明的另一个优选实施例中，至少一条辅助电源总线的电压小于被电连接在形成了用于连接至少一条辅助电源总线的该至少一个电端子的这对节点之间的这些电池模块的最大电压。
在本发明的另一个优选实施例中，用于连接到至少一条辅助电源总线上的所述至少一个电端子是由电池模块的该至少一个电能储存器的电节点形成的。
本发明的另一个实施例包括至少两条辅助电源总线。
在本发明的优选实施例中，该至少两条辅助电源总线的电压不同。
在本发明的另一个优选实施例中，上述实施例之一的所述至少两条辅助电源总线中的该至少一条仅向安全性相关的单元提供电力。
在本发明的另一个优选实施例中，单元和其备用单元是通过不同的辅助电源总线来供电。
在本发明的另一个实施例中，上述实施例之一的至少两个电池模块进一步包括电压均衡单元。
在本发明的另一个优选实施例中，所述至少一个电压平衡单元含有至少一个电压传感器。
本发明的另一个优选实施例包括检测由至少一个电能储存元件提供的模块电压的至少一个电压传感器。
在本发明的另一个优选实施例中，所述保护单元进一步含有至少一个电开关，该至少一个电开关被串联电连接到对应电池模块的至少一个电能储存元件上。
在本发明的另一个优选实施例中，所述至少一个电压平衡单元进一步包括至少一个阈值检测元件。
在本发明的另一个优选实施例中，所述至少一个电压平衡单元进一步包括至少一个微分器。
在本发明的另一个优选实施例中，所述至少一个电压平衡单元包括至少一个电流传感器。
在本发明的另一个优选实施例中，所述至少一个电流传感器中的至少一者检测流经相应电池模块的电能储存元件中的至少一个电能储存元件的电流。
在本发明的另一个实施例中，所述至少两个电池模块中的每一个电池模块串联地电互连而形成至少一个电池模块串。
在本发明的另一个优选实施例中，所述至少两个电池模块中的每一个电池模块串联地电互连而形成至少三个电池模块串，所有这些电池模块串的一端相连接而形成星形体。
在本发明的另一个优选实施例中，每个电池模块串的未连接到星点上的末端被连接到至少一个电动机器的绕组上。
在本发明的另一个实施例中，至少一个充电连接器的至少一个电触点被电连接到至少一个星点上，其中所述至少三个模块串彼此电连接，并且所述至少一个充电连接器的至少一个其他电触点被电连接到所述至少一个电动机器的绕组的至少一个中性点上。
在本发明的另一个优选实施例中，可以通过至少一个电开关将所述至少一个充电连接器的至少一个连接件至少暂时电流隔离。
在本发明的另一个优选实施例中，电池模块串的每端被电连接到至少一个充电连接器的至少一个电触点上，使得并非同一电池模块串的两端都电连接到充电连接器的同一电触点上。
在本发明的另一个优选实施例中，可以通过至少一个电开关来将其中至少两个不同的转换器串的多于一端被电连接到充电连接器的同一电触点上的所有电连接至少暂时电流隔离。
在本发明的另一个优选实施例中，可以通过至少一个电开关来将至少一个充电连接器的至少一个电触点与电路之间的至少一个电连接中断。
在本发明的优选实施例中，本发明的至少一个充电连接器的至少两个不同电触点与这些电池子部分之间的至少一对电连接件是电流隔离的。
在本发明的优选实施例中，本发明的至少一个充电连接器的至少两个不同电触点与多个电池子部分之间的至少一对电连接件是通过至少一个变压器来电流隔离的。
在本发明的另一个优选实施例中，该至少一个充电连接器与所述至少一个变压器的电连接是由至少一个电子逆变器提供的。
本发明的另一个实施例包括被电连接到至少一个充电连接器上的功率因素校正单元。
本发明的另一个实施例涉及一种用于通过随后在以下这些切换状态中的至少两种切换状态之间动态地重新配置多个电池模块的连接来为至少一个电负载产生至少一个电压的方法，这些电池模块各自结合了至少一个电池子部分，使得所述电池模块中的一个包括至少第一电池子部分并且所述电池模块中的另一个包括至少第二电池子部分：
该第一电池子部分被导电地串联连接到至少该第二电池子部分上；
该第一电池子部分被导电地并联连接到至少该第二电池子部分上；
该第一电池子部分没有导电地连接到任何其他电池子部分上，使得在该第一电池子部分与另一个电池子部分之间不交换电荷。
在优选的实施例中，所述方法通过随时间动态地重新配置多个电池子部分的连接来生成至少一种交变电流波形。
在本发明的另一个优选的实施例中，所述方法通过改变至少两个电开关的状态来动态地重新配置多个电池子部分的连接以便有效地产生至少三种幅值为至少100伏(V)的交流(ac)波形来使电动机器转动、并且同时产生小于100伏(V)的至少一个直流(dc)电压。
本发明的另一个实施例包括至少一个加速度传感器。优选地，监测该至少一个加速度传感器的至少一个电子控制单元基于该至少一个加速度传感器的信号来检测车祸、并且将本发明转换成安全状态。优选地，后者是以下状态：其中任何两个模块互连件或可触及金属触点之间的最大电压不超过电池子部分的最高电压。优选地，这些电池模块是处于并联或旁路状态。在本发明的优选实施例中，电池子部分的最高电压不高于60V并且因此被认为风险低。
虽然在上文中是参照具体特征实施例来描述本发明，但可以构造出本发明的修改和变化而不背离如下定义的本发明。

Claims (52)

1.一种包括至少三个电池模块的电气电路，其中所述电池模块各自包括至少一个电池子部分(1101；1201；1301；2101；2201；2301；8106-8108；8206-8208；9106-9108；10114；10214；10314)以及至少两个电开关(1105-1108；1207，1208；1307，1308；2105-2108；8101-8104，8112-8115，8201-8204，8212-8215；10121-10128；10221-10228；10321-10328；10421-10428)；并且其中所述电池模块各自通过至少一条电池模块间电连接线(1103，1104；1203，1204；1303，1304；2103，2104，2109，2110；2203，2204，2209，2210；2303，2304，2309，23010；4011，4012；5128，5129；9105，9116)电连接到所述电池模块中的至少第二个电池模块上，并且其中每个电池模块中的所述至少两个电开关能够通过有效地切换所述电开关而将所述电池模块中的一个电池模块的第一电池子部分与所述电池模块中的另一电池模块的至少一个第二电池子部分之间的电连接在该电连接的至少两个备选方案之间加以改变。
2.如权利要求1所述的电气电路，其中该电连接的所述至少两个备选方案包括以下各项中的至少两项：
一个电池模块的至少一个电池子部分是与另一电池模块的至少一个电池子部分导电地串联连接的；
一个电池模块的至少一个电池子部分是与另一电池模块的至少一个电池子部分导电地并联连接的；
绕过了一个电池模块的至少一个电池子部分，使得所述电池模块的至少一个电池子部分的至少两个非相合电触点中的至多一个电触点是导电地连接到另一模块的至少一个电池子部分上的。
3.如权利要求1所述的电气电路，其中该电连接的所述至少两个备选方案至少包括以下各项：
一个电池模块的至少一个电池子部分是与另一电池模块的至少一个电池子部分导电地串联连接的；
绕过了一个电池模块的至少一个电池子部分，使得所述电池模块的至少一个电池子部分的至少两个非相合电触点中的至多一个电触点是导电地连接到另一模块的至少一个电池子部分上的。
4.如权利要求3所述的电气电路，其中该电连接的所述至少两个备选方案进一步包括以下各项：
一个电池模块的至少一个电池子部分是与另一电池模块的至少一个电池子部分导电地并联连接的。
5.如以上权利要求之一所述的电气电路，其中一个电池模块的至少一个电池子部分能够与另一电池模块的至少一个电池子部分以正电极性和负电极性导电地串联连接。
6.如权利要求1至5之一所述的电气电路，其中所述至少三个电池模块各自的至少一个电池子部分是具有至少3Wh的能量含量的电化学能量储存电池单元。
7.如权利要求1至5之一所述的电气电路，其中所述电能储存器中的至少一者是双层电容器，其中能量被储存在亥姆霍兹电荷双层中。
8.如权利要求1至7之一所述的电气电路，其中至少两个电池子部分包括不同的储存器类型，使得它们在以下特性中的至少两种特性方面相差至少50％：
能量容量；
每质量密度的能量容量；
每质量密度的峰值功率；
耐久性；
运行电压范围；
最大指定电流上升时间；
指定峰值电流；
成本。
9.如权利要求1至8之一所述的电气电路，进一步包括至少一个电动机器。
10.如权利要求9所述的电气电路，其中所述至少一个电动机器是具有至少三个电相的交流电机器。
11.如权利要求9至10之一所述的电气电路，其中所述电动马达的运行电压是以由具有最高模块电压的相应模块的电能储存元件形成的模块电压的至少四倍。
12.如权利要求1至11之一所述的电气电路，进一步包括至少一条辅助电源总线(5114；5214；5314；5414；5514；5614；6114a，6114b)。
13.如权利要求12所述的电气电路，其中所述至少一条辅助电源总线使用的额定电压与12V的倍数相差不超过25％。
14.如权利要求9至10之一所述的电气电路，其中至少一条辅助电源总线包括至少一个单独的电能储存器，该电能储存器是以该至少一条辅助电源总线的电压运行的。
15.如权利要求13至14之一所述的电气电路，其中至少一条辅助电源总线进一步包括至少两个端子(5217，5218；5317，5318；5417，5418)，这两个端子各自电连接到所述电池模块间电连接线(1103，1104；1203，1204；1303，1304；2103，2104，2109，2110；2203，2204，2209，2210；2303，2304，2309，23010；4011，4012；5128，5129；5219，5220；5319，5320；5419-5422；9105，9116)中的至少一者上。
16.如权利要求15所述的电气电路，其中至少一条辅助电源总线的时间平均电压小于这些电池模块在该至少一条辅助电源总线的该至少两个端子所电连接的至少两个模块间电连接部位之间所能够产生的最大电压。
17.如权利要求15所述的电气电路，其中至少一条辅助电源总线的时间平均电压小于这些电池模块的电池子部分的总和的三分之一。
18.如权利要求9至14之一所述的电气电路，其中至少一条辅助电源总线包括至少两个电端子(5217，5218；5317，5318；5417，5418)，这至少两个电端子成对地电连接到至少一个电池模块的至少一个电池子部分的至少两个非相合电触点上。
19.如权利要求15至18之一所述的电气电路，其中至少一条辅助电源总线能够通过至少一个电开关(5623；5723)而暂时与其端子中的至少一个端子断开连接。
20.如权利要求15至19之一所述的电气电路，其中至少一条辅助电源总线进一步包括至少一个变压器(5423；5523；5721)。
21.如权利要求20所述的电气电路，其中该电气电路包括至少一个整流器(5424；5524；5722)。
22.如权利要求12至21之一所述的电气电路，包括至少两条辅助电源总线。
23.如权利要求22所述的电气电路，其中至少两条辅助电源总线的电压相差至少25％。
24.如权利要求23所述的电气电路，其中至少一条辅助电源总线向安全性相关的辅助设备提供电力。
25.如权利要求22所述的电气电路，其中能够提供至少一个相同功能的至少两个辅助单元被电连接到不同的辅助电源总线上。
26.如权利要求22所述的电气电路，其中能够提供至少一个相同功能的所述至少两个辅助单元被电连接到多条不同的辅助电源总线上。
27.如权利要求22所述的电气电路，其中电连接到不同的辅助电源总线上的至少两个辅助设备提供了具有至少ASIL C的指定安全水平的功能。
28.如以上权利要求之一所述的电气电路，其中至少两个模块进一步包括至少一个电荷平衡单元。
29.如权利要求28所述的电气电路，其中所述至少一个电荷平衡单元包括至少一个电开关，该至少一个电开关能够被激活而使得电池子部分的第一部分的电量水平被改变至不同于该电池子部分的第二部分的电量水平的程度。
30.如权利要求28所述的电气电路，其中所述至少一个电荷平衡单元包括至少一个电压传感器。
31.如权利要求26至30之一所述的电气电路，其中所述电荷平衡单元进一步包括至少一个电开关(9121)，该至少一个电开关被串联地电连接到对应模块的至少一个电能储存元件上。
32.如权利要求23至25之一所述的电气电路，其中所述至少一个电荷平衡单元进一步包括至少一个电流传感器(9120)。
33.如以上权利要求之一所述的电气电路，其中至少两个电池模块各自进一步包括至少一个电压传感器，该至少一个电压传感器监测每个相应电池子部分中的至少一个电池子部分的电压。
34.如以上权利要求之一所述的电气电路，其中至少两个电池模块各自进一步包括至少两个电压传感器，这至少两个电压传感器各自检测同一电池子部分的不同子区段的电压，其中至少两个不同的子区段是串联地彼此电连接的。
35.如以上权利要求之一所述的电气电路，其中至少两个电池模块各自进一步包括至少一个温度传感器。
36.如以上权利要求之一所述的电气电路，包括至少一个加速度传感器。
37.如以上权利要求之一所述的电气电路，其中至少两个电池模块各自进一步包括至少一个电流传感器，该至少一个电流传感器检测流经至少一个电池子部分的电流。
38.如以上权利要求之一所述的电气电路，包括至少一个电子控制器，该至少一个电子控制器有效地控制所述至少两个电开关(1105-1108；1207，1208；1307，1308；2105-2108；8101-8104，8112-8115，8201-8204，8212-8215；10121-10128；10221-10228；10321-10328；10421-10428)。
39.如以上权利要求之一所述的电气电路，其中至少两个电池模块各自包括至少一个电子控制器，该至少一个电子控制器有效地控制所述至少两个电开关(1105-1108；1207，1208；1307，1308；2105-2108；8101-8104，8112-8115，8201-8204，8212-8215；10121-10128；10221-10228；10321-10328；10421-10428)。
40.一种用于通过随后使用每电池子部分的至少两个电开关来在至少以下切换状态之间进行改变而规律地重新配置至少两个电池子部分的电连接来产生用于至少一个电负载的至少一个电压的方法：
第一电池子部分被导电地串联连接到至少一个第二电池子部分上；
该至少一个电池子部分没有导电地连接到任何其他电池子部分上。
41.如权利要求40所述的方法，其中该方法通过随后使用每电池子部分的至少两个电开关来在至少以下切换状态之间进行改变而生成所述至少一个电压：
第一电池子部分被导电地串联连接到至少一个第二电池子部分上；
该至少一个第一电池子部分被导电地并联连接到至少一个第二电池子部分上；
该至少一个电池子部分没有导电地连接到任何其他电池子部分上。
42.如以上权利要求之一所述的方法，其中所述至少一个电压中的至少一者是随时间变化的。
43.如以上权利要求之一所述的方法，其中所述至少一个电压中的至少一者含有多个正弦部段。
44.如以上权利要求之一所述的方法，该方法生成了至少三个含正弦部段的电压从而形成三相系统。
45.如以上权利要求之一所述的方法，其中至少一个电负载是电动机器。
46.如以上权利要求之一所述的方法，其中至少一个电负载是辅助电源总线。
47.如以上权利要求之一所述的方法，其中至少两个电池子部分各自包括至少一个电子控制器，该电子控制器通过有效地改变电池子部分与其他电池子部分的连接来切断该电池子部分，其方式为如果所述至少一个电子控制器检测到紧急事件，使得该电池子部分不与至少一个其他电池子部分和/或至少一个负载形成闭合电路从而使得所述电池子部分不涉及外部电流流动。
48.如权利要求39所述的方法，其中如果检测流入至少一个电池子部分中的电流并且连接到所述至少一个电子控制器上的至少一个电流传感器超过了预定阈值，则所述至少一个电子控制器检测到所述紧急事件。
49.如以上权利要求之一所述的方法，其中如果检测至少一个电池子部分的电压并且连接到所述至少一个电子控制器上的至少一个电压传感器超过了预定阈值或下降到预定阈值以下，则所述至少一个电子控制器检测到所述紧急事件。
50.如以上权利要求之一所述的方法，其中如果以下条件中的至少一者的二进制逻辑组合为真，则所述至少一个电子控制器检测到所述紧急事件：
(a)至少一个电能储存元件的电压小于预定第一水平；
(b)至少一个电能储存元件的电压大于预定第二水平；
(c)流经至少一个电能储存元件的电流大于预定第三水平；
(d)至少一个电能储存元件的电压的时间导数大于预定第四水平；
(e)至少一个电能储存元件的温度大于预定第五水平；
(g)由至少一个加速度传感器检测到的加速度大于预定第六水平。
51.如以上权利要求之一所述的方法，其中通过重新配置至少两个电池子部分的电连接来控制由至少一个外部充电电源提供的充电电流或充电电压，以便对该至少两个电池子部分充电。
52.如以上权利要求之一所述的方法，其中该至少一个外部充电电源在充电开始之前通过闭合至少一个电开关而被连接上并且在充电结束之后通过断开所述至少一个电开关而被解除连接。
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