CN109070761B - 用于车辆的可切换的储存器系统 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于为驱动车辆提供电功率的储存器系统(100)。所述储存器系统(100)包括用于储存电能的第一和第二储存器模块(111、112)。此外，储存器系统(100)包括开关单元(130)，所述开关单元设置用于：针对充电过程将第一储存器模块(111)和第二储存器模块(112)串联连接并且针对车辆的驱动将第一储存器模块和第二储存器模块并联连接。此外，储存器系统(100)包括控制单元(105)，所述控制单元设置用于促使一个或多个措施，以便为准备第一储存器模块(111)与第二储存器模块(112)的并联连接而减小第一储存器模块(111)的荷电状态和第二储存器模块(112)的荷电状态的差别。

Description

用于车辆的可切换的储存器系统
技术领域
本发明涉及一种用于至少部分电驱动的车辆的储存器系统。尤其是本发明涉及一种具有灵活的储存容量、能以相对高的充电功率进行充电的储存器系统。
背景技术
当前在电驱动车辆、例如PHEV车辆(插电式混合电动车)或纯电运行车辆(BEV，电池电动车)中，由一个或多个单个电池单体或者说储存器单体组成的能量储存器用作能量源。电池单体通常是单个的锂离子单体。这些电池单体串联地或者结合串联和并联电路彼此连接。在此，电池单体的总和确定可用的能量并且进而确定电驱动车辆的续航里程。
这样的能量储存器的充电典型地通过连接到与供电网相连的外部充电站上进行。在此，用于给能量储存器充电的可用连接功率(充电功率)可以与充电站相关。借助直流电的充电可以称为具有50kW或更多的充电功率的快充电。通过交流电的充电能实现在3.6kW直至22kW范围内的充电功率。
高充电功率有利于避免车辆为了能量储存器的再充电而长时间停车。一种用于提高充电功率的可能性是借助提高的充电电压(例如800V或更多，而不是现在的460V或更少)的直流电充电。然而，应用较高的充电电压则需要在所使用的HV(高压)储存技术方面进行改变。在此，通常不希望应用带有相应提高的额定电压的能量储存器(例如由于在动力总成系统中使用的逆变器的IGBT仅能使用到直至确定的最大极限电压(如650V、900V或1200V))。
DE102014004790A1描述了一种用于车辆的能量储存器，在所述能量储存器中使用切换矩阵，以用于串联连接在能量储存器中并联连接的线路，使得能量储存器的电压水平倍增(在使用两个并联连接的线路时)。因此，在行驶运行中可以使用不变的行驶电压(例如400V的行驶电压)，而在充电运行中可以使用提高的充电电压(例如800V的充电电压)。
虽然DE102014004790A1描述了一种带有切换矩阵的储存器系统的构思。但在此未确保：能以可靠的方式在储存器系统的充电运行和行驶运行之间切换。
发明内容
本发明的技术任务在于提供一种可切换的储存器系统，所述储存器系统能够以可靠且能量高效的方式在充电运行和行驶运行之间进行切换。
该任务通过根据本发明的储存器系统得以解决。
根据一个方面，描述了一种用于为驱动车辆提供电功率的储存器系统。尤其是可以将所述电功率用于运行车辆的驱动电机。此外，可以在制动过程中必要时将电功率通过车辆的电机回收并且储存在储存器系统中。
储存器系统包括：用于储存电能的第一和第二储存器模块。储存器系统一般可以包括N个用于储存电能的储存器模块，N>1。每个储存器模块在此可以包括至少一个(通常多个)储存器单体线路。必要时，储存器模块也可以包括并联连接的储存器单体。储存器模块的数量N是整数并且优选是偶数，N>1。优选地可以N＝2，由此在充电电压(用于给储存器系统充电)和行驶电压(用于运行车辆的驱动系统)之间得出有利的折衷(尤其是关于安装在车辆内的功率晶体管)。N个储存器模块可以相同地设计(尤其是关于相应的额定电压和/或关于相应的储存容量)。
此外，储存器系统包括(带有多个开关的)开关单元，所述开关单元设置用于针对充电过程串联连接N个储存器模块，并且针对车辆的驱动、亦即给车辆的驱动系统供电而并联连接N个储存器模块。
此外，储存器系统包括控制单元，所述控制单元设置用于控制开关单元。所述控制单元可以设置用于控制开关单元，使得针对充电过程将由N个储存器模块组成的串联电路与车辆的充电插座并联连接，通过所述充电插座可以将储存器系统连接到外部充电站上。由此可以相对高的充电电压进行相对快速的充电过程。以相应的方式，所述控制单元可以用于控制开关单元，使得针对车辆的驱动将N个储存器模块中的至少一部分(例如N/2储存器模块)与车辆的驱动系统并联连接。由此可以相对低的行驶电压安全地运行车辆。
控制单元可以设置用于促使一个或多个措施，以便为准备将第一储存器模块与第二储存器模块并联连接而减小第一储存器模块的荷电状态(SOC)和第二储存器模块的荷电状态的差别。通过减小在N个储存器模块之间的荷电状态的差别可以将串联电路(用于给储存器模块充电)安全地切换为并联电路(用于驱动车辆)。因此可以提供一种储存器系统，所述储存器系统能以一种可靠的方式实现高充电功率和成本高效的驱动。
控制单元可以设置用于：确定关于第一储存器模块的荷电状态和关于第二储存器模块的荷电状态的信息。例如可以通过测量在第一储存器模块上的(空载)电压和/或在第二储存器模块上的(空载)电压来确定关于荷电状态的信息。备选或补充地，可以通过测量第一储存器模块和/或第二储存器模块随着时间积累的充电功率确定关于荷电状态的信息。于是，可以根据关于荷电状态的信息通过控制单元促使一个或多个措施。尤其是可以在此减小通过所述信息表明的荷电状态差别。
储存器系统可以包括第一(电运行)冷却模块和第二(电运行)冷却模块。所述冷却模块尤其是可以包括相应的电冷却剂压缩机。在此，第一冷却模块可以设置用于(必要时仅)冷却第一储存器模块。第二冷却模块可以设置用于(必要时仅)冷却第二储存器模块。尤其是由第一冷却模块产生的热量50％以上可以从第一储存器模块吸收。以类似的方式，由第二冷却模块产生的热量50％以上可以从第二储存器模块吸收。
第一冷却模块可以(必要时仅)以来自第一储存器模块的电能运行并且第二冷却模块可以(必要时仅)以来自第二储存器模块的电能运行。由此可以通过为第一储存器模块运行第一冷却模块来影响第一储存器模块的荷电状态。又可以通过为第二储存器模块运行第二冷却模块来影响第二储存器模块的荷电状态。以类似的方式可以为N个储存器模块提供相应N个冷却模块。
控制单元可以设置用于调整第一冷却模块和第二冷却模块的电消耗，使得在第一储存器模块的荷电状态和第二储存器模块的荷电状态之间的差别得以减小。当第一储存器模块的荷电状态高于第二储存器模块的荷电状态时，例如可以用比第二冷却模块更高的电功率来运行第一冷却模块。通过与荷电状态相关地控制冷却模块可以高效地减小荷电状态差别。
储存器系统可以包括直流电压变换器，所述直流电压变换器设置用于在第一储存器模块和第二储存器模块之间转移电能。尤其是可以从第一储存器模块提取用于给第二储存器模块充电的电能(或者反过来)。所述控制单元可以设置用于控制直流电压变换器，使得在第一储存器模块的荷电状态和第二储存器模块的荷电状态之间的差别得以减小。当第一储存器模块具有高于第二储存器模块的荷电状态时，例如可以为了充电将电能从第一储存器模块转移到第二储存器模块。通过使用直流电压变换器可以可靠地减小荷电状态差别。
备选或者补充地，直流电压变换器可以用于以来自第一储存器模块或者来自第二储存器模块的能量给车辆的低压车载电网(例如12V车载电网、尤其是车辆的低压电池)充电。尤其是可以在此从具有相应较高的荷电状态的储存器模块中提取电能。因此可以减小储存器模块的荷电状态，以便减小在两个储存器模块之间的荷电状态差别。
控制单元可以设置用于如此控制开关单元，使得在充电过程的第一阶段中第一储存器模块和第二储存器模块彼此串联并且共同与车辆的充电插座并联布置。因此，在充电过程的第一阶段中可以相对高的充电电压充电(所述充电电压例如相应于两个储存器模块的两倍额定电压)。
控制单元还可以设置用于如此控制开关单元，使得在充电过程的接下去的第二阶段中第一储存器模块与车辆的充电插座分离并且第二储存器模块与车辆的充电插座并联布置。在充电过程的第二阶段中可以尤其是进行第二储存器模块的专门的再充电。尤其是可以因此提高第二储存器模块的荷电状态，以便减小与第一储存器模块的荷电状态差别。因此可以高效地减小荷电状态差别。
控制单元可以设置用于如此控制开关单元，使得在车辆的行驶运行的第一阶段中(特别是直接接着充电过程)第二储存器模块与车辆的驱动系统分离并且第一储存器模块与驱动系统并联布置。由此在行驶运行的第一阶段期间没有从第二储存器模块提取用于驱动车辆的功率。另一方面从第一储存器模块提取电能，以便驱动车辆。由此，第一储存器模块的荷电状态下降，并且因此可以适配于第二储存器模块的(较低的)荷电状态。
控制单元可以设置用于进一步如此控制开关单元，使得在行驶运行的接下去的第二阶段中附加地将第二储存器模块与驱动系统并联布置。这尤其是可以在第一储存器模块和第二储存器模块之间的荷电状态差别已经充分减小(以便避免显著的补偿电流)时进行。因此可以高效地减小荷电状态差别。
控制单元可以设置用于确定如下的切换时间点，在该切换时间点上车辆的驱动系统从储存器系统中吸取的功率小于或者等于预定义的功率阈值。尤其是可以确定如下的切换时间点，在该切换时间点上驱动系统是无功率的(例如在行驶运行中的滑行过程(Segel-Vorgang)时)。控制单元于是可以促使开关单元将第二储存器模块在该切换时间点上与驱动系统并联布置。因此可以确保安全地接通第二储存器模块。
按照另一方面，描述了一种用于保护车辆的储存器系统的方法。所述储存器系统包括：用于储存电能的第一和第二储存器模块。所述方法包括：串联地布置第一储存器模块和第二储存器模块，以便给第一储存器模块和第二储存器模块充电。此外，所述方法还包括：为准备并联地连接第一储存器模块和第二储存器模块，实施一个或多个措施，以便减小第一储存器模块和第二储存器模块的荷电状态的差别。所述方法还包括：彼此并联地布置第一储存器模块和第二储存器模块，以便给车辆的驱动系统供以电能。
所述方法可以包括：确定历史数据，所述历史数据表明在第一和第二储存器模块的一个或多个在前充电过程中第一储存器模块和第二储存器模块的荷电状态的差别。例如历史数据可以表明在先前串联充电过程结束之后两个储存器模块的荷电状态的差别有多大。用于减小当前的荷电状态差别的一个或多个措施于是可以根据历史数据进行选择。因此例如可以减小用于调整荷电状态的时间间隔。
根据另一方面，描述了一种车辆(尤其是一种道路机动车、例如轿车、货车或者摩托车)，所述车辆包括在本发明中描述的储存器系统。
应当理解的是，在本发明所描述的方法、装置和系统不仅可以单独使用，也可以与本发明中描述的其他方法、装置和系统组合使用。此外，在本发明中描述的方法，装置和系统的任何方面可以以各种方式组合。
附图说明
以下借助各实施例进一步描述本发明。其中：
图1示出了具有多个储存器模块的示例性的储存器系统；
图2示出了用于避免补偿电流的示例性措施；和
图3示出了用于运行储存器系统的示例性方法的流程图。
具体实施方式
如开头所述，本发明涉及提供一种用于车辆的储存器系统，所述储存器系统能以较高的充电功率充电。图1在此方面示出了一种具有N个用于储存电能的储存器模块111、112的储存器系统100，这些储存器模块可以通过切换单元130彼此串联或者彼此并联连接(在此N为整数(偶数)，N>1、尤其是N＝2)。储存器模块111、112包括一个或多个储存器单体或储存器单体线路。
能量储存器系统100可以在两种不同的模式中运行：模式“行驶”或者说“行驶模式”和模式“充电”或者说“充电模式”。在图1中示出了运行模式“充电”。在该情况下，由储存器模块111、112组成的串联电路可以连接在车辆的充电插座上的两个极102、105之间，以便以提高的充电电压给储存器系统100充电。在所示例子中，切换矩阵130包括常开开关132和切换开关131。在充电模式中，常开开关132打开，而切换开关131(如所示那样)如此连接，使得第一储存器模块111的负极与第二储存器模块112的正极联接。
通过闭合常开开关132并且通过切换切换开关131，使得第一储存器模块111的负极与第二储存器模块112的负极联接，储存器模块111、112能够并联连接。由此，在极102、105之间得到减小的行驶电压，其中，行驶电压通常相当于充电电压的N分之一。切换矩阵130中开关131,132的切换可以通过储存器系统100的控制单元105控制。
可能出于多种原因导致：在充电过程结束时储存器系统100的储存器模块111、112的荷电状态不相同。例如储存器模块111、112在充电过程期间可能负载不同(例如由于低压直流电压转换器103和连接到其上的低压(例如12V)车载电网104)。此外，储存器模块111、112(例如由于不同的老化)可能具有不同内阻。
当储存器模块111、112从串联电路转变为并联电路时，作为不同的荷电状态的结果可能会导致、可能显著的补偿电流。这种补偿电流可能导致储存器系统100中的损坏。因此，储存器系统100可以具有用于避免或者至少减小补偿电流的措施。
储存器系统100可以例如包括专用的冷却模块121、122用于冷却各个储存器模块111、112。尤其是所述储存器系统100可以包括第一冷却模块121用于冷却第一储存器模块111并且具有第二冷却模块122用于冷却第二储存器模块112。在此，相应的冷却模块121、122被供以来自相应的储存器模块111、112的电能。尤其是，第一冷却模块121被供以来自第一储存器模块111的电能，并且第二冷却模块122被供以来自第二储存器模块122的电能。冷却模块121、122可以用作电消耗器，以便调整相应的储存器模块111、112的荷电状态。
控制单元105可以设置用于：在充电过程期间确定各储存器模块111、112的荷电状态。例如控制单元105可以由充电过程开始时储存器模块111、112的初始荷电状态并且由在充电过程期间累积的充电功率估计在确定的时间点上的荷电状态。备选或者补充地，可以在确定的时间点上分离储存器模块111、112，以便明确地测量储存器模块111、112的荷电状态。出于该目的，尤其是可以测量储存器模块111、112的空载电压。
因此必要时可以探测第一储存器模块111和第二储存器模块112的荷电状态的不平衡。于是，冷却模块111、112可以作为电消耗器运行在相应的储存器模块111、112上，以便减小不平衡。当确定第一储存器模块111的荷电状态高于第二储存器模块112的荷电状态时，第一冷却模块111例如可以高于第二冷却模块112的电消耗运行。
冷却模块121、122的与荷电状态相关的运行(和/或其他补偿荷电状态的措施)在此可以在充电过程的较早时间点上就已经进行。例如可以基于历史数据确定：第一储存器模块111通常比第二储存器模块112吸收更多的充电功率。所述信息可以用于在开始时就在第一冷却模块121上以相对较高的消耗运行(相比于第二冷却模块122)或者用于在开始时就执行补偿荷电状态的措施。
通过不同地运行冷却模块121、122可以达到：储存器模块111、112的荷电状态在充电过程结束时接近或者大致相同。由此，在行驶运行中减小或避免在连接并联电路时的补偿电流。
冷却模块121、122的不同的运行通常与储存器模块111、112相应不同的冷却需求相关联(由于不同的功率消耗)。由此，冷却模块121、122的不同的运行构成用于减小补偿电流的能量高效的可行方案。
图2示出了一种具有直流电压变换器210的储存器系统100，所述直流电压变换器设置用于将电能从第一储存器模块111传输到第二储存器模块112并且反过来传输。控制单元105可以设置用于控制直流电压变换器201，以便引起电能在储存器模块111、112之间的再充电，从而平衡储存器模块111、112的荷电状态。由此，补偿电流可以在切换为储存器模块111、112的并联运行时得以减小。
为了补偿荷电状态，在充电过程的第一阶段中给由储存器模块111、112构成的串联电路充电，接着充电过程的第一阶段，在充电过程的第二阶段中给部分数量的储存器模块111、112(例如仅第一储存器模块或仅第二储存器模块)充电(以相应减小的充电电压)，以便平衡储存器模块111、112的荷电状态。如果确定第二储存器模块112的荷电状态低于第一储存器模块111的荷电状态，则例如可以在第二阶段中专门给第二储存器模块112再充电。因此可以确保在连接储存器模块111、112的并联电路时没有或仅流过减小的补偿电流。
作为用于减小补偿电流的其他措施，储存器模块111、112可以接着充电过程累进地(亦即仅逐渐地)与车辆的驱动系统并联连接。尤其是在第一步骤中可以将具有最高荷电状态的储存器模块111(例如第一储存器模块111)与驱动系统并联连接，以便驱动车辆。另外的一个或多个储存器模块112于是可以首先与驱动系统保持分离。于是，在第一储存器模块111的荷电状态减小之后，所述另外的一个或多个储存器模块112可以与驱动系统并联连接。该切换过程在此优选在驱动系统无功率的时间点上(例如在车辆的滑行过程中)进行。通过在行驶运行中累进地并联连接储存器模块111、112可以能量高效的方式减小补偿电流。
图3示出了一种用于保护车辆的储存器系统100的示例性方法300的流程图，其中，所述储存器系统100包括用于储存电能的第一和第二储存器模块111、112。所述方法300包括串联地布置301第一储存器模块111和第二储存器模块112，以便给第一储存器模块111和第二储存器模块112充电。所述方法300还包括为了准备并联连接第一储存器模块111和第二储存器模块112而实施302一个或多个(补偿荷电状态)的措施，以便减小第一储存器模块111和第二储存器模块112的荷电状态差别。尤其是可以实施一个或多个措施，以便将荷电状态差别至少减小到确定的差别阈值。
所述方法300还包括彼此并联地布置303第一储存器模块111和第二储存器模块112，以便给车辆的驱动系统供以电能。通过上述减小荷电状态差别可以确保：能以可靠的方式(尤其是没有显著的补偿电流的情况下)进行并联连接。
通过在本发明中描述的措施可以提供一种用于车辆的储存器系统，所述储存器系统能以可靠的方式在相对高的充电电压(为了高的充电功率)和相对低的行驶电压(为了成本高效的驱动系统)之间切换。
本发明并不局限于所示出的实施例。尤其应注意的是：说明书和附图应仅阐明所提出的方法、装置和系统的原理。

Claims (10)

1.一种储存器系统(100)，所述储存器系统用于为驱动车辆提供电功率，其中，所述储存器系统(100)包括：
-用于储存电能的第一储存器模块(111)和第二储存器模块(112)；
-开关单元(130)，所述开关单元设置用于针对充电过程将第一储存器模块(111)和第二储存器模块(112)串联连接并且针对车辆的驱动将第一储存器模块和第二储存器模块并联连接；和
-控制单元(105)，所述控制单元设置用于：
促使一个或多个措施，以便为准备将第一储存器模块(111)与第二储存器模块(112)并联连接而减小第一储存器模块(111)的荷电状态和第二储存器模块(112)的荷电状态的差别；
确定切换时间点，在该切换时间点上车辆的驱动系统从储存器系统(100)中吸取的功率小于或者等于预定义的功率阈值；和
促使开关单元(130)将第二储存器模块(112)在该切换时间点上与驱动系统并联布置。
2.根据权利要求1所述的储存器系统(100)，其中，
-所述储存器系统(100)包括第一冷却模块(121)和第二冷却模块(122)；
-第一冷却模块(121)以来自第一储存器模块(111)的电能运行；
-第二冷却模块(122)以来自第二储存器模块(112)的电能运行；和
-所述控制单元(105)设置用于调整第一冷却模块(121)和第二冷却模块(122)的电消耗，使得在第一储存器模块(111)的荷电状态和第二储存器模块(112)的荷电状态之间的差别得以减小。
3.根据权利要求1或2所述的储存器系统(100)，其中，
-储存器系统(100)包括直流电压变换器(210)，所述直流电压变换器设置用于在第一储存器模块(111)和第二储存器模块(112)之间转移电能；和
-控制单元(105)设置用于控制直流电压变换器(210)，使得在第一储存器模块(111)的荷电状态和第二储存器模块(112)的荷电状态之间的差别得以减小。
4.根据权利要求1或2所述的储存器系统(100)，其中，
所述控制单元(105)设置用于：
-如此控制开关单元(130)，使得在充电过程的第一阶段中串联的第一储存器模块(111)和第二储存器模块(112)与车辆的充电插座并联布置；和
-如此控制开关单元(130)，使得在充电过程的接下去的第二阶段中第一储存器模块(111)与车辆的充电插座分离并且第二储存器模块(112)与车辆的充电插座并联布置。
5.根据权利要求1或2所述的储存器系统(100)，其中，控制单元(105)设置用于：
-如此控制开关单元(130)，使得在车辆的行驶运行的第一阶段中第二储存器模块(112)与车辆的驱动系统分离并且第一储存器模块(111)与驱动系统并联布置；和
-如此控制开关单元(130)，使得在行驶运行的接下去的第二阶段中附加地将第二储存器模块(112)与驱动系统并联布置。
6.根据权利要求1或2所述的储存器系统(100)，其中，控制单元(105)设置用于：
-确定关于第一储存器模块(111)的荷电状态和关于第二储存器模块(112)的荷电状态的信息；和
-根据关于各荷电状态的所述信息促使所述一个或多个措施。
7.根据权利要求6所述的储存器系统(100)，其中，控制单元(105)设置用于：
-通过测量在第一储存器模块(111)和/或第二储存器模块(112)上的电压来确定关于各荷电状态的所述信息；和/或
-通过测量第一储存器模块(111)和/或第二储存器模块(112)随着时间积累的充电功率确定关于各荷电状态的所述信息。
8.根据权利要求1或2所述的储存器系统(100)，其中，第一储存器模块(111)和第二储存器模块(112)具有相同的额定电压。
9.一种用于保护车辆的储存器系统(100)的方法(300)，其中，所述储存器系统(100)包括用于储存电能的第一储存器模块(111)和第二储存器模块(112)；其中，所述方法(300)包括：
-串联地布置(301)第一储存器模块(111)和第二储存器模块(112)，以便给第一储存器模块(111)和第二储存器模块(112)充电；
-为准备并联连接第一储存器模块(111)和第二储存器模块(112)，实施(302)一个或多个措施，以便减小第一储存器模块(111)的荷电状态和第二储存器模块(112)的荷电状态的差别；
-确定切换时间点，在该切换时间点上车辆的驱动系统从储存器系统(100)中吸取的功率小于或者等于预定义的功率阈值；
-将第二储存器模块(112)在该切换时间点上与驱动系统并联布置；和
-彼此并联地布置(303)第一储存器模块(111)和第二储存器模块(112)，以便给车辆的驱动系统供以电能。
10.根据权利要求9所述的方法(300)，其中，所述方法(300)包括：
-确定历史数据，所述历史数据表明在第一储存器模块(111)和第二储存器模块(112)的一个或多个在前的充电过程中第一储存器模块(111)的荷电状态和第二储存器模块(112)的荷电状态的差别；和
-根据所述历史数据选择所述一个或多个措施。
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