CN110289649A - 通过智能电池改善调制指数 - Google Patents

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Abstract

一种用于通过智能电池组(210)来改善调制指数的方法，其中该电池组(210)包括多个能够自由互连的能量模块并且一个能量模块具有至少一个能量电池和至少两个开关器，并且其中该电池组(210)的相应的能量模块与至少一个相邻的能量模块的串联或并联连接由控制器来实现，其中根据对至少一个N相电机(208)的相应预定负载请求来调准由该电池组(210)的相应互连产生的端电压(240，242)，并且其中将该端电压(240，242)作为输入电压连接至至少一个多级的逆变器(216)上，并且基于该输入电压的大小由该至少一个多级的逆变器(216)形成N相交流电，以供应给相应的N相电机(208)。

Description

通过智能电池改善调制指数
技术领域
本发明涉及用于通过智能电池组来改善调制指数的一种方法和一种系统，其中所述电池组包括多个能量模块，这些能量模块可以在其互连中重新配置。
背景技术
在电动车辆中，传统的驱动系包括提供直流电压的电池组、将直流电压转换为交流电压的两级逆变器以及用交流电压驱动的电动马达。带有标准模块的电池组提供固定的端电压，该端电压仅在负载状态下发生改变，例如在放电增大时下降。逆变器通常将直流电压转换为三相交流电压，三相电动马达同样用该三相交流电压来驱动。两级逆变器的输出电压的大小在此是由在采用电池组端电压大小的输入电压与为零的电压值之间来回切换决定的。
通过所谓的调制指数来描述逆变器的输出电压的品质，该调制指数示出调制带宽的度量。在此，调制指数是由除数(Teiler)限定的，该除数由分子中的切换频率变化和分母中出现的最大切换频率构成。通常，调制指数越高，出现的电磁干扰(本领域技术人员将其缩写为EMI)就越小，或者出现的总谐波失真(本领域技术人员将其缩写为THD)就越小。除了要遵守的EMI极限值之外，由于电动车辆中现有的其他车载电子设备，优选减少电磁干扰。
逆变器的输出电压被调制到所要求的平均值。由于逆变器被确定到由配备有标准模块的电池组决定的输入电压，在对电动马达只存在低的功率要求的情况下(例如在缓慢行驶或在斜坡上行驶时，这导致逆变器的输出电压降低)，存在低的调制指数及因此高的EMI负载。
文件US 2017/0093320A1公开了一种带有电池组的电动车辆，该电池组被重新配置为用于根据电压要求来实现所期望的直流电压。这通过改变电池组的并联连接的能量电池的数量来实现。
欧洲专利文献EP 2 879 266A1涉及多个串联连接的能量电池，这些电池被重新配置为用于根据负载装置的电压需求来实现所期望的直流电压。这些单独的能量电池在其状态下被监控并根据该状态互连。
文件US 2008/0054870A1探讨了一种带有多个储能装置的电动车辆，这些储能装置可以在串联与并联连接之间切换，其中根据电动马达的最大驱动电压来设定电压。
发明内容
在此背景下，本发明的目的是提供一种相对于现有技术具有较少EMI负载的方法。在此，带有多个能量电池的电池组应当可以自由配置，以避免互连中的限制。此外本发明的目的是，提供一种用于执行这样的方法的对应系统。
为了实现上述目的，提出一种用于通过智能电池组来改善调制指数的方法，其中该电池组包括多个可自由互连的能量模块并且一个能量模块具有至少一个能量电池和至少两个开关器，并且其中电池组的相应的能量模块与至少一个相邻的能量模块的串联或并联连接由控制器来实现，其中根据对至少一个N相电机的相应预定负载请求来调准由电池组的相应互连产生的端电压，并且其中将端电压作为输入电压连接至至少一个至少两级的逆变器，并且基于该输入电压的大小由至少一个至少两级的逆变器形成N相交流电，以供应相应的N相电机。
该至少两级的逆变器可以是具有两个输出级的两点逆变器或具有多于两个输出级的多点逆变器。作为在电动车辆中使用的相关的多点逆变器的示例，这里可以提出具有几级的(例如三级或五级的)所谓的中点钳位型逆变器(Neutral-Point-Clamped-Inverter)。此外，这里提到所谓的飞跨电容逆变器(Flying-Capacitor-Inverter)和模块化多电平逆变器，在这种情况下仅实施有电容器和非常少的级。
该至少两级的逆变器必须为交流电压提供满足负载请求的特定电压值，可供该逆变器使用的电压水平(在恰好两个级的情况下对应于输入电压的两个电位)之间来回切换得越频繁，则输入电压与输出电压的电压值之差越大。根据本发明的方法有利地通过重新配置电池组中的能量模块的互连和所得到的端电压来这样适配输入电压，使得该输入电压尽可能地对应于与负载请求相对应的交流电压的电压值，并且因此得到改善的调制指数。相应地减少EMI和THD。
传统的电池组可以通过根据本发明的方法实施的智能电池组以简单的方式替换。该智能电池组在此不使用固定布线的能量电池的彼此连接，而是使用功率开关器，这些功率开关器以适合的方式连接包括能量电池的能量模块。该智能电池组可以通过适当的串联和并联连接实现任意的端电压值，最大达在所有可用的能量模块的串联连接的情况下实现的最大端电压。由此电压降低能够基于下降的电量(本领域技术人员称之为State ofCharge或SoC)得以补偿，或者还向相应的逆变器提供短暂地提高的输入电压，以便在短的时间段期间实现相应的N相电机的较高功率。
在根据本发明的方法的一个实施方式中，选择至少一个至少两级的逆变器作为两级逆变器。该两级逆变器还被称为两点逆变器。
在根据本发明的方法的一种实施方式中，电池组的相应的互连由控制器所包括的电池控制器形成。该电池控制器在此通过相应能量模块与相邻能量模块的相应串联或在适当时并联连接实现了仅次于控制器所要求的电压的下一个较大的端电压。
在根据本发明的方法的另一种实施方式中，对相应的N相电机的相应的负载请求由控制器所包括的至少一个马达控制器形成。相应的马达控制器调节其相关的逆变器，以满足相应的N相电机的负载请求。有利地，相应的马达控制器直接影响电池组的端电压，以便根据本发明提高调制指数。这通过将期望的最佳端电压值直接传输到电池控制器来实现。此外，相应的马达控制器影响与其关联的N相电机的扭矩，其方式为：该马达控制器基于通过连续测量得出的电池组当前的输出电压、根据相应的逆变器流向关联的N相电机的相电流和关联的N相电机中的转子位置来适配相应的逆变器的输出电压。在电机的情况下(例如异步机器和同步机器，其中例如外部激励的同步机器或还有永磁性的同步机器(本领域技术人员将其简称为PSM)，其中两者都代表AC机器类型)由相应的逆变器提供的输出电压主要影响转速。这意味着，用于满足负载请求所需的电压幅值随着实现的转速而增大，并且因此在高转速下通常要求更高的输出电压。然而，首先可能发生饱和或所谓的磁场减弱，也就是对电机有效的电压不再继续增加，并且在电机中流动的电流如下地发生相移，从而使得所述电流减小其自身的磁场，例如永磁体的产生力矩的磁场或激励磁场。其次，由于电池组的内阻，端电压在高负载电流下降低，其中尤其高扭矩引起高负载电流。因此，对于目前几乎仅由扭矩控制的电力驱动装置而言，可以如下地设想对负载请求的可能控制：从由电机提供的当前转速出发，控制器产生扭矩请求，其与当前转速一起产生特定的电流幅值要求和电压幅值要求。然后，将该电压幅值要求的峰值或高于该峰值的值传递给可配置的电池组。可选地，该值也可以根据流至电机的相电流而增大，或者根据流入电池中的电流而降低。在此可以在计算方面根据欧姆定律考虑电池组的内阻。即使电池组的内阻根据电池组的串联或并联连接而改变，也可以在已知配置下从各个电源模块的内阻来计算得出电池组的内阻。例如，在已知配置中控制器可以可选地通过连续测量电池组现有的输出电流和输出电压来估算各个能量模块的内阻，或者在没有已知配置的情况下估算电池组的内阻。
在根据本发明的方法的又一种实施方式中，通过车辆高压检查设备来监控电池组的状态值。该车辆高压检查设备通过接通或切断电池组的输出电压来检查电池组。
车辆高压检查设备也可以进行对N相电机的相应马达控制器的扭矩请求。
在根据本发明的方法的另一实施方式中，选择温度和/或电量和/或接通/切断状态作为电池组的状态值。该电池组将这些状态值报告给车辆高压检查设备，该车辆高压检查设备检查电池组到逆变器的输出电压(即基本上端电压)的接通/切断，并将扭矩请求传输到马达控制设备。
在根据本发明的方法的另一种实施方式中，将由至少一个马达控制器形成的、对相应的N相电机的负载请求传输至电池控制器。根据传输至电池控制器的负载请求(该负载请求是由相应的N相电机的至少一个马达控制器所要求的，该负载请求与电池组所提供的端电压成比例、但不一定是纯线性关系)，由电池控制器这样重新配置能量模块的串联或并联连接，使得由此产生的端电压更大、但尽可能接近所需的电压值，以便最终在由至少一个逆变器转换成N相交流电压之后在至少一个N相电机处产生所需的负载请求。
在根据本发明的方法的另一种实施方式中，根据通过至少两个马达控制器形成的、对相应的N相电机的负载请求来确定单独的负载请求，并将其作为电压值请求传输至电池控制器。例如，在这些负载请求下确定最大负载请求。通过提供满足最大负载请求的端电压保证了：即使在最初进行该最大负载请求的那些N相电机处，也可以通过与其关联的逆变器产生为此所需的输出电压。
在根据本发明的方法的又一种实施方式中，通过电池控制器将借助能量模块的互连产生的端电压值传输到至少一个马达控制器。该相应的马达控制器由此获知可供相应逆变器使用的输入电压。
此外，要求保护一种用于通过智能电池组来改善调制指数的系统，该系统包括具有多个能量模块的电池组，这些能量模块能够相应地与相应相邻的能量模块串联或并联连接，其中每个能量模块具有至少一个能量电池和至少两个开关器，并且该系统还包括至少一个至少两级的逆变器、至少一个N相电机、配备有计算机处理器和在该计算机处理器上运行的计算机程序的至少一个控制单元，该控制单元被设计成用于根据对相应的N相电机的预定负载请求来控制该电池组的由这些能量模块的互连产生的端电压，其中该系统被设计为用于实施根据下述项1-9之一所述的方法。
在根据本发明的系统的一个构型中，该控制单元包括一个电池控制单元和至少一个马达控制单元。该电池控制单元可以局部地布置在电池组上，该至少一个马达控制单元可以布置在相应的逆变器上。
在根据本发明的系统的另一个构型中，该系统还包括最大值控制单元，其中该最大值控制单元被设计为用于根据由相应的马达控制单元形成的至少两个负载请求来确定最大负载请求并将该最大负载请求传输至该电池控制器。以相同的方式，该最大值控制单元可以确定多个电压请求中的最大电压请求。
在根据本发明的系统的又一个构型中，该系统还包括车辆高压检查设备，该车辆高压检查设备被设计为用于检测电池组的温度和/或电量和/或接通/切断状态。
在根据本发明的系统的另一个构型中，该电池组包括多个能量模块，其中该能量模块包括至少两个功率开关器和与该至少两个功率开关器电连接的至少一个能量电池。例如，这可以是根据多电平转换器技术原理的能量模块，所述多电平转换器技术例如是在文件DE 102010 052 934A1中已经公开的。
总之，本申请在此公开了如下项1和10的技术方案，如下项2-9和11-13为优选的实施方案：
1.一种用于通过智能电池组来改善调制指数的方法，其中电池组包括多个能够自由互连的能量模块并且一个能量模块具有至少一个能量电池和至少两个开关器，并且其中该电池组的相应的能量模块与至少一个相邻的能量模块的串联或并联连接由控制器来实现，其中根据对至少一个N相电机的相应预定的负载请求来调准由该电池组的相应互连产生的端电压，并且其中将该端电压作为输入电压连接至至少一个至少两级的逆变器，并且基于该输入电压的大小由该至少一个至少两级的逆变器形成N相交流电，以供应给相应的N相电机。
2.根据前述项1所述的方法，其中选择该至少一个至少两级的逆变器作为两级逆变器。
3.根据前述项之一所述的方法，其中该电池组的相应互连由控制器所包括的电池控制器形成。
4.根据前述项之一所述的方法，其中对相应的N相电机的相应的负载请求由该控制器所包括的至少一个马达控制器形成。
5.根据前述项之一所述的方法，其中通过车辆高压检查设备来监控该电池组的状态值。
6.根据前述项5所述的方法，其中选择温度和/或电量和/或接通/切断状态作为该电池组的状态值。
7.根据前述项4至6之一所述的方法，其中将由该至少一个马达控制器形成的、对相应的N相电机的负载请求作为电压值请求传输至该电池控制器。
8.根据前述项4至6之一所述的方法，其中根据通过至少两个马达控制器形成的、对相应的N相电机的负载请求来确定单独的负载请求，并将其作为电压值请求传输至该电池控制器。
9.根据前述项3至8之一所述的方法，其中通过该电池控制器将借助这些能量模块的互连产生的端电压值传输至该至少一个马达控制器。
10.一种用于通过智能电池组来改善调制指数的系统，该系统包括具有多个能量模块的电池组，这些能量模块能够相应地与相应相邻的能量模块串联或并联连接，其中每个能量模块具有至少一个能量电池和至少两个开关器，并且该系统还包括至少一个至少两级的逆变器、至少一个N相电机、配备有计算机处理器和在该计算机处理器上运行的计算机程序的至少一个控制单元，该控制单元被设计成用于根据对相应的N相电机的预定负载请求来控制该电池组的由这些能量模块的互连产生的端电压，其中该系统被设计为用于实施根据前述项之一所述的方法。
11.根据前述项10所述的系统，其中该控制单元包括一个电池控制单元和至少一个马达控制单元。
12.根据前述项11所述的系统，该系统还包括最大值控制单元，其中该最大值控制单元被设计为用于根据由相应的马达控制单元形成的至少两个负载请求来确定最大负载请求并将该最大负载请求传输至该电池控制器。
13.根据前述项10至12所述的系统，该系统还包括车辆高压检查设备，该车辆高压检查设备被设计为用于检测电池组的温度和/或电量和/或接通/切断状态。
附图说明
从说明书和附图中得出本发明的进一步的优点和构型。
不言而喻，在不脱离本发明的范围的情况下，上述的以及还将在下文中说明的特征不仅可以按照相应给出的组合来使用，而且可以按照其他组合或单独地使用。
图1以示意图示出了基于根据现有技术互连的电池组和根据本发明方法的一个实施方式的逆变器信号。
图2以示意图示出了在一个N相电机中的驱动系的根据本发明的方法的一个实施方式。
图3以示意图示出了在多个N相电机中的驱动系的根据本发明的方法的一个实施方式。
具体实施方式
在图1中以示意图(在上部110中展示地)示出了基于根据现有技术互连的电池组的逆变器信号，并且(在下部120中展示地)示出了根据本发明的方法的一个实施方式中的逆变器信号。带有固定端电压的传统的电池组116向两级逆变器提供固定的电压值。在图1的右上部分中，逆变器信号被记录在时间轴104上并且是以电压幅值105记录的。针对三个时间段101、102和103，分别示出在对电动马达的负载请求逐个时间段减少时，逆变器的输出信号115。在两级逆变器的情况下，该输出信号由带有振幅高度(该振幅高度由接通或切断的输入电压产生)的不同长度的电压信号组合成。该输出信号在电动马达(由于其迟钝的转子惯性)中对应于最终呈正弦状的交流电压曲线114。为了在负载请求变小的情况下也获得由逆变器的切换行为引起的具有较低的振幅高度的交流电压曲线，在输入电压的电压值固定的情况下，逆变器必须以更高的频率进行切换，这降低了调制指数并使EMI和/或THD值劣化。在根据本发明的方法的一个实施方式中，在图1的下部120中展示地，在智能电池组121、122、123中能量模块与至少一个相邻能量模块的相应串联或并联连接这样被改变，从而使得智能电池组的所得到的端电压产生在逆变器的输入端处与对电动马达的相应负载请求相对应的电压值。在智能电池组121、122、123的示意图中示出：随着电压值降低，并联连接的数量增加并且以同样方式减少串联连接的数量。在所示出的情况下，电压值从时间段101到时间段102到时间段103各自减半，这在端电压中通过将智能电池组121的能量模块从四个串联连接的能量模块重新配置成在智能电池组122的情况下两个串联连接的能量模块(该两个串联连接的能量模块各自与一个相应的能量模块并联连接)来实现并且最终通过针对时间段103在智能电池组123中用四个并联连接的电池模块再一次重新配置来实现。如果即使在低负载请求下也引起逆变器处的输入电压的低电压值，则该逆变器不必提高切换频率，以便在电动马达中引起具有较低的电压幅值的交流电压曲线，从而与在上部110中用传统的电池组116获得的调制指数相比获得更高的调制指数。
在图2中以示意图200示出用于由直流电压源204、交流电压源206和三相电机208构成的驱动系202的根据本发明的方法的一种实施方式。智能电池组210向逆变器216的输入端提供带有电压值226的端电压240、242。车辆高压检查设备212将智能电池组210置于接通或切断状态220，并且具有关于智能电池组210的电量和温度的认识218。除此之外，车辆高压检查设备212将扭矩请求224报告给马达控制器214。马达控制器214基于由智能电池组所提供的电压值226通过控制228逆变器216的输出电压来检查三相电机208的扭矩。在此示出的三相逆变器216为三相电机208提供三相电流，该三相电流的测量值230、232由马达控制器214的三相中的两相报告。同样地，将三相电机208的转子位置234传递到马达控制器。该马达控制器根据扭矩请求224传输电压值请求222至智能电池组210，该智能电池组在适当时通过重新配置能量模块的串联和并联连接来满足该电压值请求222，以使该电池组的端电压240、242大于、但尽可能接近于电压值请求222。
在图3中以示意图300示出用于由直流电压源304、带有多个逆变器316、317的交流电压源306和多个三相电机308、309构成的驱动系302的根据本发明的方法的一种实施方式。智能电池组310向逆变器316、317的相应输入端提供端电压340、342、344、346。然后，相应的三相逆变器316、317向相应的三相电机308、309供应三相电流。在每个逆变器316、317处布置有马达控制器314、315，该马达控制器以经传输的方式从相应的三相电机308、309得到相应的转子位置334、335。将相应的扭矩请求324、325从车辆高压检查设备312传输至相应的马达控制器314、315。相应的马达控制器根据扭矩请求324、325传输相应的电压值请求326、327至最大值控制单元，该最大值控制单元在电压值请求326、327中确定最大电压值请求322并将其传输至智能电池组310。该智能电池组在适当时通过重新配置能量模块的串并联连接来重新满足电压值请求322，使得其端电压340、342大于、但尽可能接近于电压值请求322。车辆高压检查设备312的其他任务是将智能电池组310置于接通或断开状态320，并且具有关于智能电池组310的单独能量模块的电量和温度的认识318。图示300能够以相同的方式拓展为其他的逆变器和电机。

Claims (13)

1.一种用于通过智能电池组(121，122，123，210，310)来改善调制指数的方法，其中电池组(121，122，123，210，310)包括多个能够自由互连的能量模块并且一个能量模块具有至少一个能量电池和至少两个开关器，并且其中该电池组(121，122，123，210，310)的相应的能量模块与至少一个相邻的能量模块的串联或并联连接由控制器来实现，其中根据对至少一个N相电机(208，308，309)的相应预定的负载请求来调准由该电池组(121，122，123，210，310)的相应互连产生的端电压(240，242，340，342，344，346)，并且其中将该端电压(240，242，340，342，344，346)作为输入电压连接至至少一个至少两级的逆变器(216，316，317)，并且基于该输入电压的大小由该至少一个至少两级的逆变器(216，316，317)形成N相交流电，以供应给相应的N相电机(208，308，309)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中选择该至少一个至少两级的逆变器作为两级逆变器。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中该电池组(121，122，123，210，310)的相应互连由控制器所包括的电池控制器形成。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中对相应的N相电机(208，308，309)的相应的负载请求由该控制器所包括的至少一个马达控制器(214，314，315)形成。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中通过车辆高压检查设备(212，312)来监控该电池组(121，122，123，210，310)的状态值。
6.根据权利要求5所述的方法，其中选择温度和/或电量和/或接通/切断状态作为该电池组(121，122，123，210，310)的状态值。
7.根据权利要求4所述的方法，其中将由该至少一个马达控制器(214，314，315)形成的、对相应的N相电机的负载请求作为电压值请求(222)传输至该电池控制器。
8.根据权利要求4所述的方法，其中根据通过至少两个马达控制器(214，314，315)形成的、对相应的N相电机(208，308，309)的负载请求来确定单独的负载请求，并将其作为电压值请求(322)传输至该电池控制器。
9.根据权利要求3所述的方法，其中通过该电池控制器将借助这些能量模块的互连产生的端电压值(240，242，340，342，344，346)传输至该至少一个马达控制器(214，314，315)。
10.一种用于通过智能电池组(121，122，123，210，310)来改善调制指数的系统，该系统包括具有多个能量模块的电池组(121，122，123，210，310)，这些能量模块能够相应地与相应相邻的能量模块串联或并联连接，其中每个能量模块具有至少一个能量电池和至少两个开关器，并且该系统还包括至少一个至少两级的逆变器(216，316，317)、至少一个N相电机、配备有计算机处理器和在该计算机处理器上运行的计算机程序的至少一个控制单元，该控制单元被设计成用于根据对相应的N相电机(208，308，309)的预定负载请求来控制该电池组(121，122，123，210，310)的由这些能量模块的互连产生的端电压，其中该系统被设计为用于实施根据以上权利要求之一所述的方法。
11.根据权利要求10所述的系统，其中该控制单元包括一个电池控制单元和至少一个马达控制单元(214，314，315)。
12.根据权利要求11所述的系统，该系统还包括最大值控制单元(311)，其中该最大值控制单元(311)被设计为用于根据由相应的马达控制单元(214，314，315)形成的至少两个负载请求来确定最大负载请求并将该最大负载请求传输至该电池控制器。
13.根据权利要求10至12之一所述的系统，该系统还包括车辆高压检查设备(212，312)，该车辆高压检查设备被设计为用于检测电池组(121，122，123，210，310)的温度和/或电量和/或接通/切断状态(220，320)。
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