CN107864645A - 能量储存设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于将具有第一电压水平的第一电压电网(21)与具有第二电压水平的至少一个第二电压电网(22)连接的能量储存设备，其中所述第一电压水平高于所述第二电压水平，其中存在多个模块链，在所述模块链中分别设有和连接有多个电池单元模块(Cx)，其中所述模块链(30，31，32，33，34，40，41，42，43)能够彼此并联连接，其中在每个模块链中存在多个电池单元模块(Cx)，所述电池单元模块能够经由开关元件交替地彼此并联连接或者串联连接。

Description

能量储存设备
技术领域
本发明涉及一种能量储存设备，尤其用于具有多个电压水平的机动车辆的能量储存设备。本发明还涉及一种与此有关的机动车辆。
背景技术
机动车辆日益电气化，以便例如电驱动。在此，在机动车辆中也设置越来越多的单元，所述单元既不在常规的12V或24V的车载电网电压情况下运行也不在高电压情况下运行，而是在低于60V的直流电源的另一电压水平上运行。
在欧洲在载重车中传输来自比通常在机动车中使用的12V或24V的车载电压更高的电压的电能要求相应的电压调整。为此，在现有技术中使用直流电压转换器，即所谓的DC/DC转换器。DC/DC转换器的功率设计并不针对在12V的车载电网中所需要的功率和能量，因为所有在具有较高电压的车载电网中产生的电能必须借助于DC/DC转换器传输到该电压水平上。
DC/DC转换器构造复杂并且费事，也就是说，DC/DC转换器具有相对大的、沉重并且昂贵的功率电子组件。
由于DC/DC转换器的复杂性和所需要的功率设计，电压转换的耗费是高的。由此，广泛地引入例如以内燃机方式驱动的车辆的48V混合动力(Hybridisierung)变得困难，所述48V混合动力具有降低CO2-车辆燃油消耗的显著潜力。借助于DC/DC转换器的电压转换并未充分使用如针对48V-弱混合动力-车辆中的车载电网拓扑所设置的特定条件，而是使用在高压混合动力车辆中所常用的架构，仅具有下述简化：DC/DC转换器不再必须以电流隔离的方式构成。
发明内容
本发明的目的是实现一种能量储存设备，所述能量储存设备简单地构造并且相对于现有技术得以改进。要相应地实现一种设备，所述设备允许借助于相对简单的机构在不同电压的、未电流隔离的车载电网之间进行能量传输。本发明的目的还在于实现一种与此相关的机动车辆。
关于能量储存设备的目的通过权利要求1的特征实现。关于机动车辆的目的通过权利要求20的特征实现。
本发明的一个实施例涉及一种能量储存设备，所述能量储存设备用于将具有第一电压水平的第一电压电网与至少一个具有第二电压水平的第二电压电网连接，其中第一电压水平高于第二电压水平，其中存在多个模块链，在所述模块链中分别设有并且连接有多个电池单元模块，其中这些模块链可彼此并联连接，其中在每个模块链中存在多个电池单元模块，所述电池单元模块可经由开关元件交替地彼此并联或者串联连接。由此实现：在具有共同的接地的多电压车载电网中，能够弃用用于各个子车载电网或电压电网的独立的电池并且能够弃用用于在子车载电网之间进行能量传输的DC/DC转换器，或者替选地，仍然被使用的电池或DC/DC转换器能够明显更小地构成。也有利的是，能够连续地同时提供这两个电压电网的两个不同的供给电压，其中仍然能够考虑相应的电压电网中当前的功率要求。为此，不需要附加的并且复杂的能量储存和能量转换器部件。
除此之外，用于实现和控制和/或监控电池单元模块的串联连接和/或并联连接的耗费明显低于用于DC/DC转换器的耗费。由此能够明显降低用于实现多电压车载电网的耗费。用于多电压车载电网的储存器和转换器的结构空间需求同样能够明显降低，由此在理想情况下能够将多电压电池安装在目前常用的单电压电池的结构空间中，这使双电压车载电网的引入变得极为容易。
在另一实施例中符合目的的是，这些模块链可彼此并联连接，其中在输入侧，每个模块链具有开关，借助于所述开关可接通该模块链。由此，能够分别接通或者关断一个或另一个模块链，使得能够根据相应的电压电网中的功率需求来接通或关断相应所观察的模块链的通路或者断路，所述电压电网也能够称为车载电网。
在此，在一个有利的实施例中也有利的是，至少两个模块链彼此并联地设置并且可彼此并联地连接，如尤其设有二至四个模块链并且可彼此并联连接。由此，电压电网的电压供给能够简单地与相应的功率需求匹配。
根据另一有利的实施例，特别有利的是，设有控制装置，所述控制装置监控电压电网的状态和功率需求并且按照需求接通或关断各个模块链，或者动态地确定所接通或关断的模块链的数量并且相应地控制这些模块链。这简化并且优化了根据相应的必要时仅短时的需求对模块链的控制。
特别有利的是，模块链中的电池单元模块可经由第一开关彼此并联连接并且可经由第二开关彼此串联连接。
在此，也有利的是，控制装置构成为，使得所述控制装置监控电压电网的状态和功率需求并且按照需求控制各个模块链的开关，以便将电池单元模块经由第一开关彼此并联连接和/或经由第二开关彼此串联连接。
通过使用多个可开关的能量储存器，即使在个别能量储存元件故障时也能够明显更可靠地保证电能的可用性，由此保证安全敏感的功能的安全，例如保证在所谓的惰行中借助于空转的发电机的运行的安全。
特别有利的是，至少单个电池单元模块或者多个电池单元模块借助于开关与第二电压电网的较低的正电压水平连接。
也有利的是，至少单个电池单元模块或者多个电池单元模块借助于开关与负的电压水平，如与第二电压电网的接地水平连接。此外有利的是，第一电池单元模块借助于开关与第二电池单元模块串联连接，其中第一电池模块的负极可借助于开关与第二电池模块的正极连接。
特别有利的是，第一电池单元模块借助于开关与第二电池单元模块串联连接，其中第一电池模块的负极可借助于开关与第二电池模块的正极连接。这实现了对具有较高的电压水平的电压电网的电压水平的匹配。
此外特别有利的是，第二电压电网直接地或者经由开关与电池单元模块连接。
特别有利的是，第一电压电网用其正的第一电压水平与电池单元模块连接在其正极和开关之间。也有利的是，在第一电压电网和/或第二电压电网中设有起动器、发电机和/或起动器发电机。这样，能够进行符合目的的能量回收和/或对驱动器进行有利辅助。
也符合目的的是，在第一电压电网中设有另一电池，所述另一电池可通过其正极借助于开关与电池模块的正极连接。
也有利的是，开关是机械开关或者电气开关或者电子开关。这样，这些开关优选能够由控制单元自动化地操作。
因此符合目的的是，开关可通过控制设备来进行开关。因此能够按照需求进行开关。
此外有利的是，各个电池模块或所有电池模块配设有如下测量设备，所述测量设备确定电池模块上的和/或电池单元上的充电和放电电流、电压和/或电池模块上的和/或电池单元上的温度。
附加地，DC/DC转换器能够将这两个电压电网连接。
其它有利的设计方案通过接下来的附图描述并且通过从属权利要求描述。
附图说明
接下来，基于至少一个实施例根据附图详细阐述本发明。附图示出：
图1示出具有两个电压水平的传统的多电压车载电网的电路图，
图2示出具有根据本发明的接线的带有两个电压水平的多电压车载电网的电路图，
图3示出具有根据本发明的接线的带有两个电压水平的多电压车载电网的电路图，
图4示出具有根据本发明的接线的带有两个电压水平的多电压车载电网的电路图，以及
图5示出具有根据本发明的接线的带有两个电压水平的多电压车载电网的电路图。
具体实施方式
图1示出多电压车载电网1的电路。多电压车载电网1，如在图1中所示出的那样作为双电压车载电网具有两个电压区域2、3，所述电压区域由DC/DC转换器4分开。在图1中示例性地示出双电压车载电网，所述双电压车载电网作为48V/12V双电压车载电网示出。该双电压车载电网尤其适合于机动车辆。在此，对于这两个电压区域2、3(48V和12V)分别设有电池5、6并且为了耦合这些电压水平而设有DC/DC转换器4。起动器7设置在12V子车载电网3中。在48V子车载电网2中也能够存在起动器/发电机8；要不然在在该处替选地设有仅一个发电机。
在此，消耗器9设置在12V子车载电网3中。但是，尤其是，功率特别高的消耗器10也能够存在于48V子车载电网2中。12V子车载电网3中的安全敏感的应用的冗余供电可以通过12V电池6和48V电池5经由DC/DC转换器4来实现。48V子车载电网2中的电发电机8尤其适合于从车辆的减速过程中回收动能。替选地或附加地，发电机8也能够作为用于驱动的电动机来运行，使得所述发电机不仅可用于起动内燃机而且可用于其扭矩辅助。
图2借助电路示出本发明的一个实施例。在此，示出两个子车载电网21和22，所述子车载电网例如又作为48V子车载电网21和12V子车载电网22示出。然而，这仅表示一种实施例而对本发明绝无任何限制。
在此，根据图1的DC/DC转换器连带两个电池5、6通过电池单元模块C1、C2、C3、C4连带电气开关或者电子开关P1+、P2+、P3+、P4+、P1-、P2-、P3-、P4-、S1、S2、S3的电路的网络23替代。
电池单元模块C1、C2、C3、C4在此有利地分别由各个单元的串联电路和必要时的并联电路构成，其中其电压分别对应于具有低的电压的子车载电网中的电压。
电池模块C1、C2、C3、C4借助于电气开关或者电子开关P1+、P2+、P3+、P4+、P1-、P2-、P3-、P4-、S1、S2、S3接线为，使得所述电池模块交替地以并联电路或串联电路或者以其构成的组合运行。
电池模块在此以串联电路方式耦合到具有较高的电压的子车载电网2上，其中电池模块以并联电路方式耦合到具有较低的电压的子车载电网3上。
当具有较高的电压的子车载电网2中的电压要具有在低电压的不同数倍上的不同电压时，有时也能够仅部分地在串联电路和并联电路之间进行切换，使得一部分电池单元模块连接在接地电势和低电压之间，而另一部分电池单元模块连接在低电压和较高的电压之间。
至少单个的或者多个如此形成的电池模块30、31、32、33能够组合，其方式是，其连接到子车载电网上的相应的端子彼此连接并且同时和/或尤其在时间上错开地在串联电路和并联电路之间进行切换。
发电机24连接到这两个子车载电网21、22中的一个上，在此即连接到子车载电网21中，其中所述发电机也可连接到子车载电网22上。这样，所述发电机能够有利地根据相应的运行情况借助于电气开关或者电子开关连接到这两个子车载电网21、22中的一个上。
与车辆的电的接地端子26连接的电池单元模块C1，能够在其另一端子处牢固地与具有低电压的子车载电网22连接，或者替选地，如所示出的那样，借助于电气开关或者电子开关P1+耦合到具有低电压的子车载电网22上。在这种情况中，电池单元模块C1可再次与子车载电网22去耦。替选地，替代开关P1+也可以使用电阻。
有利的是，电池单元模块中的至少单个电池单元模块或者多个电池电压模块例如为了监控、控制和/或调节而配备一个或多个电流传感器、电压传感器和/或温度传感器。
根据本发明的设备构成为多电压电池并且能够有利地与单个的或者多个子车载电网连接，所述子车载电网包含其它电池以及另外的能量储存器，例如超级电容器等。
根据本发明的设备作为多电压电池也能够补充有位于这两个子车载电网21、22之间的DC/DC转换器，所述DC/DC转换器用于附加的能量传递和子车载电网21、22的至少偶尔的能量供给或辅助。
在根据本发明的设备20的一个简单的实施方案中，根据图1的这两个电池5、6和DC/DC转换器4通过四个电池单元模块C1、C2、C3和C4、用于并联连接的开关P1+至P4+和P2-至P4-以及用于串联连接的开关S1、S2、S3来替代。开关在图2中作为单开关示出。但是，所述开关也能够构成为切换器或者多路切换器。开关P1+至P4+、P2-至P4-和S1、S2、S3能够构成为电机械开关或者电子开关，例如功率MOSFET。对开关的操作在没有驾驶员干预的情况下自动同步地进行，通过与此相关的控制装置受能量管理器控制。
所述接线在此使得相应的开关Px+(其中x＝1，2，3或4)将相应的电池Cx(其中x＝1，2，3或4)与子车载电网22的正的电压水平连接，而相应的开关Px-(其中x＝1，2，3或4)将相应的电池Cx(其中x＝2，3或4)与子车载电网22的负的电压水平或者接地水平连接。此外，电池Cx的负极借助于开关Sx-1与电池Cx-1的正极连接，也就是说，例如电池C4的负极通过开关S3与电池C3的正极连接，以此类推。
在大多运行情况中，P开关闭合而S开关断开。由此，电池单元模块C1至C4并联连接并且对12V车载电网22进行供电。发电机24在这种运行情况中同样在12V子车载电网22中运行并且在需要时从传动系的动能中产生电能。在车辆的减速过程足够强的情况下或者在要电动辅助的加速过程中，从电池单元模块的并联连接切换为串联连接。电动机/发电机24在这些运行情况中连接到串联连接的末端并且能够在该处发挥其最大的功率。
在48V车载电网21中因附加的消耗器27而存在更高的功率需求时，也能够引入附加的48V电池28。附加的电池和48V消耗器27和/或电机24因此也能够经由附加的开关S4耦合，参见图3。
本发明的另一根据本发明的实施方案，参见图4，提出在多个模块链30、31、32、33中应用多个电池开关模块，所述电池开关模块连接到例如为48V子车载电网的第一电压电网21上并且连接到例如为12V子车载电网22的第二电压电网22上。相应的模块链在此相同地构造并且所述模块链在此如关于图3所描述的那样构造。所述模块链分别具有四个电池单元模块C1至C4，所述电池单元模块借助于开关Px+和Px-接线，其中x＝1，2，3和4。在输入侧，相应的模块链30、31、32、33经由开关S4与第一电压电网21连接，而相应的模块链30、31、32、33经由相应的开关P1+与第二电压电网22连接。
根据本发明的另一替选的实施方式，根据图5示出如下布置，所述布置基本上对应于图4的布置，其中基本上对应于图4的模块链30至34的四个模块链40、41、42和43并非上下地设置而是立体错开地设置。模块链40、41、42和43在此分别仅具有三个电池单元模块C2、C3和C4，所述电池单元模块借助于开关Px+和Px-接线，其中x＝2，3和4。在输入侧，相应的模块链40、41、42、43又经由开关S4与第一电压电网21连接。
开关P1+和电池单元模块C1设置在相应的模块链40、41、42、43外部，如在图5中所看到的那样。替选地，开关P1+在此也能够省去，其中随后电池单元模块C1因此要么能够与其它剩余的电池单元模块C2至C4并联连接要么串联连接。
在串联运行和并联运行之间的切换在图4的这个实施例中并且必要时在图5的实施例中在电池开关模块或模块链30、31、32和33或40、41、42和43内部同时进行。在此，电池开关模块或模块链能够同时工作或者在时间上错开地工作。由此，能够根据运行情况给这两个子车载电网21、22按情况分配电池容量。通过以相应调整的方式来确定电池单元大小，在此能够优化整体耗费。
为了评估充电状态、老化状态和功能能力并且为了控制串联/并联切换，能够使用电池管理或者与此相关的控制设备。为此，能够在单元、电池单元模块上和/或在电池开关模块或模块链30至33或40至43的输入端和输出端上设置电流传感器、电压传感器和温度传感器，其信号被输送给电池管理或与此相关的控制设备。
通过设置并联地设置的模块链，实现如下优点：在功率数据相同的情况下，与在单链中相比由于电流I分配到各个模块链30至33或40至43上而在各个开关和连接元件中引起明显更低的损耗功率，因为损耗功率与电流I的平方成比例。相应地，模块链的各个部件也能够更简单并且更低成本地配置。
也得到模块链的如下模块性：在模块链中的一个模块链故障的情况下存在冗余，使得其它模块链能够承担有故障的模块链的任务或功能性。这样，即使在一个模块链故障时也能够维持电压电网的功能性。
控制单元50用于控制相应的模块链，所述模块链也控制模块链中的哪个模块链并且模块链中的多少个模块链切换到串联状态或并联状态中。

Claims (20)

1.一种用于将具有第一电压水平的第一电压电网(21)与具有第二电压水平的至少一个第二电压电网(22)连接的能量储存设备，其中所述第一电压水平高于所述第二电压水平，其中存在多个模块链(30，31，32，34，40，41，42，43)，在所述模块链中分别设有和连接有多个电池单元模块(Cx)，其中所述模块链(30，31，32，34，40，41，42，43)能够彼此并联连接，其中在每个模块链中存在多个电池单元模块(Cx)，所述电池单元模块能够经由开关元件交替地彼此并联连接或者串联连接。
2.根据权利要求1所述的能量储存设备，其特征在于，所述模块链能够彼此并联连接，其中在输入侧，每个模块链(30，31，32，34，40，41，42，43)具有开关，借助于所述开关能够接通该模块链(30，31，32，34，40，41，42，43)。
3.根据权利要求1或2所述的能量储存设备，其特征在于，至少两个模块链(30，31，32，34，40，41，42，43)彼此并联地设置并且能够彼此并联连接，如尤其设有二至四个模块链(30，31，32，34，40，41，42，43)并且所述二至四个模块链能够彼此并联连接。
4.根据权利要求1或2所述的能量储存设备，其特征在于，设有控制装置(50)，所述控制装置监控所述电压电网(21，22)的状态和功率需求并且按照需要接通或关断各个所述模块链(30，31，32，34，40，41，42，43)，或者所述控制装置动态地确定被接通或被关断的所述模块链(30，31，32，34，40，41，42，43)的数量并且相应地控制被接通或被关断的所述模块链。
5.根据权利要求1、2或3所述的能量储存设备，其特征在于，在模块链(30，31，32，34，40，41，42，43)中的所述电池单元模块(Cx)能够经由第一开关(Px+，Px-)彼此并联连接并且能够经由第二开关(Sx)彼此串联连接。
6.根据权利要求4所述的能量储存设备，其特征在于，所述控制装置构成为，使得所述控制装置监控所述电压电网的状态和所述功率需求并且按照需要控制各个所述模块链的开关，以便使所述电池单元模块(Cx)能够经由所述第一开关(Px+，Px-)彼此并联连接和/或经由所述第二开关(Sx)彼此串联连接。
7.根据上述权利要求1至5中至少一项所述的能量储存设备，其特征在于，至少单个电池单元模块(Cx)或者多个所述电池单元模块(Cx)能够借助于开关(Px+)与所述第二电压电网的较低的正电压水平耦合。
8.根据上述权利要求1至6中至少一项所述的能量储存设备，其特征在于，至少单个电池单元模块或者多个所述电池单元模块能够借助于开关(Px-)与所述第二电压电网的负的电压水平或者接地水平耦合。
9.根据上述权利要求1至7中至少一项所述的能量储存设备，其特征在于，所述第一电池单元模块(Cx)能够借助于开关(Sx)与第二电池单元模块(Cx)串联耦合，其中所述第一电池模块(Cx)的负极能够借助于所述开关(Sx)与所述第二电池模块(Cx-1)的正极连接。
10.根据上述权利要求1至8中至少一项所述的能量储存设备，其特征在于，第一电池单元模块(Cx)借助于开关(Sx)与第二电池单元模块(Cx+1)串联连接，其中所述第一电池模块(Cx)的负极能够借助于所述开关(Sx)与所述第二电池模块(Cx+1)的正极连接。
11.根据上述权利要求中任一项所述的能量储存设备，其特征在于，所述第一电压电网(21)以其正的第一电压水平与电池单元模块(C4)连接在其正极和所述开关(P4+)之间。
12.一种能量储存设备，尤其根据上述权利要求中任一项所述的能量储存设备，其特征在于，所述第二电压电网(22)直接地或者经由开关(P1+)与电池单元模块(C1)连接。
13.根据上述权利要求中任一项所述的能量储存设备，其特征在于，使用多个这种能量储存设备，并且所述能量储存设备借助于其相应的至第一电压电网或第二电压电网的连接彼此连接。
14.根据上述权利要求中任一项所述的能量储存设备，其特征在于，给一个电池单元模块或者多个电池单元模块分别分配用于电池单元模块电流、电池单元模块电压、各个电池单元电压和/或温度的测量设备。
15.根据上述权利要求中任一项所述的能量储存设备，其特征在于，在所述第一电压电网和/或所述第二电压电网(21，22)中设有起动器(7)、发电机(24)和/或起动器发电机(8)。
16.根据上述权利要求中任一项所述的能量储存设备，其特征在于，在所述第一电压电网(21)中设有另一电池(28)，所述另一电池能够通过其正极借助于开关(S4)与电池模块(C4)的正极连接。
17.根据上述权利要求中任一项所述的能量储存设备，其特征在于，所述开关是机械开关或电气开关或电子开关。
18.根据上述权利要求中任一项所述的能量储存设备，其特征在于，所述开关能够由控制设备来进行开关。
19.根据上述权利要求中任一项所述的能量储存设备，其特征在于，DC/DC转换器与两个所述电压电网连接。
20.一种具有两个电压电网的机动车辆，所述机动车辆具有根据上述权利要求中任一项所述的能量储存设备和尤其在两个所述电压电网之间的DC/DC转换器。
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