CN110546032B - 双电压电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于车辆的双电压电池(1)，其具有：至少一个接地连接点(5)；第一车载电网端子(3)，在其上提供低的第一车载电网电压；和第二车载电网端子(4)，在其上提供高的第二车载电网电压，设有至少一个电池子模块(2、21、22、23、24、25)，其具有至少两个电池单体块(12、13)以及用于选择性地并联或串联连接所述电池单体块(12、13)的多个开关元件(14、15、16、17、18、19、20)，在电池单体块(12、13)的第一连接布置方式中，所述电池单体块彼此并联连接，使得在第一车载电网端子(3)上提供第一车载电网电压，所述开关元件(14、15、16、17、18、19、20)在电池单体块(12、13)的第二连接布置方式中将电池单体块(12、13)彼此串联连接，使得在第二车载电网端子(4)上提供第二车载电网电压，并且在第二连接布置方式中电池子模块(2、21、22、23、24、25)的所有电池单体块(12、13)上的电压差对应于在第二车载电网电压与第一车载电网电压之间的差。

Description

双电压电池
技术领域
本发明涉及一种用于车辆的双电压电池，所述双电压电池具有：接地连接点；第一车载电网端子，在所述第一车载电网端子上提供低的第一车载电网电压；和第二车载电网端子，在所述第二车载电网端子上提供高的第二车载电网电压。双电压电池包括多个电池单体块，所述电池单体块能够经由开关元件选择性地并联或串联连接，以用于提供第一车载电网电压和/或第二车载电网电压。
背景技术
由DE 10 2013 113 182 A1中已知一种开头提到类型的双电压电池。已知的双电压电池构造为，使得在借助于电池的双电压车载电网中，能够以第一车载电网电压运行第一组耗电器，并且能够以较高的第二车载电网电压运行第二组耗电器。例如，双电压电池用于12V车载电网和48V车载电网的能量供应。这两个电压能够由双电压电池提供，尤其是经由车载电网端子同时提供。
发明内容
本发明的目的是，改进电池的使用寿命，其方式为：均衡流过双电压电池的不同的电池单体块的电流流量。
为了实现该目的，本发明提供了一种用于车辆的双电压电池。
本发明涉及一种用于车辆的双电压电池，所述双电压电池具有：至少一个接地连接点；第一车载电网端子，在所述第一车载电网端子上提供相对于接地连接点的低的第一车载电网电压；和第二车载电网端子，在所述第二车载电网端子上提供相对于接地连接点的高的第二车载电网电压，其中，设有三个或更多个电池子模块，所述三个或更多个电池子模块关于第一车载电网端子和关于第二车载电网端子彼此并联连接，其中，在每个电池子模块中设有至少两个电池单体块以及用于选择性地并联或串联连接所述电池单体块的多个开关元件，其中，在电池单体块的第一连接布置方式中，所述电池单体块彼此并联连接，使得在第一车载电网端子上提供相对于接地连接点的第一车载电网电压，并且所述开关元件在电池单体块的第二连接布置方式中将电池单体块彼此串联连接，使得在第二车载电网端子上提供相对于第一车载电网端子的电压以便提供第二车载电网电压，并且双电压电池设置成，使得在所述电池子模块的电池单体块的连接布置方式切换时仍始终有至少一个电池子模块提供第一车载电网电压并且有另外的电池子模块提供第二车载电网电压，从而避免在提供低的第一车载电网电压和高的第二车载电网电压时的临时的中断，并且在第二连接布置方式中电池子模块的所有电池单体块上的电压对应于在第二车载电网端子与第一车载电网端子之间的电压。
就此而言规定，至少一个电池子模块的电池单体块在第一连接布置方式中彼此并联连接，使得在第一车载电网端子上提供第一车载电网电压。第一车载电网电压就此而言对应于电池单体块的电压。在第二连接布置方式中，电池单体块这样地彼此串联连接，使得在第二车载电网端子上提供第二车载电网电压。同时，在第二连接布置方式中电池子模块的所有电池单体块上的电压差对应于在第二车载电网电压与第一车载电网电压之间的差。
本发明的特殊优点在于，根据本发明的双电压电池的电池单体块不会与车载电网电压固定地相配，尤其是不与第一车载电网电压固定地相配。因此，不在接通的和未接通的电池单体块之间进行区分。通过根据本发明的该措施，能够确保流过所有电池单体块和不同的电池单体块的所有电池单体的均衡的电流流量，从而优化了双电压电池的使用寿命。同时省去在强充电和弱充电的部位之间进行能量转移的必要性。就此而言简化了各个电池单体的结构，并且能够构造相同且成本有利地实现大量电池单体和/或电池子模块。
电池单体或电池子模块的充电例如通过与双电压电池相配的常规地运行的发电机或通过回收利用制动能来实现。
根据本发明的一种优选的实施方式，在第二连接布置方式中，电池子模块的第一电池单体块的负极与第一车载电网端子连接，并且电池子模块的最后的电池单体块的正极与第二车载电网端子连接。可选地，电池子模块的其它电池单体块串联连接在第一电池单体块与所述最后的电池单体块之间。然后，第一电池单体块的负极处于第一车载电网端子的电压水平上，并且这两个车载电网端子具有以电池单体块的各电压的总和增大的电压水平。
根据本发明的一种进一步改进方案，设有两个电池子模块，所述电池子模块分别具有至少两个电池单体块和分别与所述电池单体块相配的开关元件。这两个电池单体块关于第一车载电网端子和第二车载电网端子彼此并联地设置。有利地，通过设置两个电池子模块来确保：电池子模块始终可用于提供低的第一车载电网电压。这考虑到以下事实：无论如何目前将低的第一车载电网电压用于对安全性关键的消耗器，并且因此应始终提供低的第一车载电网电压。就此而言，能够省去用于对在第一车载电网电压下运行的车载电网进行支持和供电的另外的能量源或辅助蓄能器。由此减小了车辆的能量供应装置的整体结构。
例如，在设有两个电池子模块的情况下，在第一连接布置方式中可以设有第一电池子模块。第一电池子模块的于是并联连接的电池单体块在第一车载电网端子上提供第一车载电网电压。此外，在第二连接装置中可以由第二电池子模块在第二车载电网端子上提供第二车载电网电压，所述第二电池子模块的电池单体块在第二连接布置方式中串联连接。
如果与双电压电池相配的发电机仅在这两个车载电网之一上连接或者说运行，那么能够补偿车载电网的由此产生的不相同的负荷，其方式为：两个电池子模块定期在第一连接布置方式与第二连接布置方式之间进行切换。例如，电池子模块能够在高的第二车载电网电压下充电，而另一电池子模块提供低的第一车载电网电压并且对第一车载电网进行供电。随后，电池子模块的配置如下变换：刚刚充电的电池子模块现在起提供低的第一车载电网电压并且对第一车载电网进行供电，而之前提供低的第一车载电网电压的电池子模块现在起由发电机充电。
根据本发明的一种进一步改进方案，设有三个或更多个电池子模块，所述电池子模块关于第一车载电网端子并且关于第二车载电网端子彼此并联连接。有利地，在设有三个电池子模块时如下简化对电池子模块的配置的切换，使得即使在切换时仍始终有至少一个电池子模块能够提供第一车载电网电压，并且第二电池子模块能够提供第二车载电网电压。由此避免了在提供较低的第一车载电网电压和较高的第二车载电网电压方面的无论如何的临时的中断。
根据本发明的一种进一步改进方案，所有电池子模块都构成为结构相同的。就此而言，所有电池子模块具有相同数量的开关元件和相同数量的电池单体块或电池单体。此外，所有电池子模块的开关元件和电池单体块或电池单体的配置是相同的。有利地，简化了双电压电池的构造，并且电池子模块能够批量地、成本有利地、结构相同地制造。
根据本发明的一种进一步改进方案，在双电压电池的第一连接点与第二连接点之间设有DC/DC转换器，以用于支持车载电网。
根据本发明的一种进一步改进方案，根据本发明的双电压电池提供附加的车载电网端子。关于附加的车载电网端子，至少一个电池子模块的至少两个电池单体块能够经由开关元件以及经由附加的开关元件并联连接和/或串联连接。双电压电池的所有电池子模块在此关于附加的车载电网端子彼此并联连接地设置。有利地，能够通过设置附加的车载电网端子来实现在以低的车载电网电压运行的第一车载电网与以高的车载电网电压运行的第二车载电网之间的去耦联。尤其是对于下述情况：第二车载电网由于在该处运行的消耗器而遭受高的负荷和尤其是在时间变化曲线上变换的负荷，在断开车载电网时，对第一车载电网的消耗器的供电独立且可靠地实现。
根据本发明的一种进一步改进方案，在附加的车载电网端子上提供第一车载电网电压。所述附加的车载电网端子可以优选仅在电池内部提供。就此而言没有规定，用于所述附加的车载电网端子的抽头经由双电压电池的壳体向外引导。有利地，附加的车载电网端子能够提供用于第二高的车载电网电压的基本电压水平。就此而言，所述附加的车载电网端子(然而仅在电池内部)承担第一车载电网端子的电子技术功能。同样地，第一车载电网端子与附加的车载电网端子和/或第二车载电网端子分开地实现和去耦联。
根据本发明的一种进一步改进方案设有一种探测器单元。借助于所述探测器单元，探测在第二车载电网端子上的充电电流和/或放电电流和/或所施加的电压和/或电压变化。此外，优选设有中央控制单元，所述中央控制单元构成为用于操纵开关元件和/或所述附加的开关元件，并且就此而言与所述开关元件和/或所述附加的开关元件有效连接。在这种情况下，开关元件根据输送给中央控制单元的输入控制信号来操纵。例如，探测器单元的输出信号用作为用于中央控制单元的输入控制信号。有利地，能够通过设置探测器单元及其与中央控制单元的共同作用来实现对开关元件的与负荷相关的操纵，并且因此实现对第一车载电网和第二车载电网中的消耗器的安全供电。尤其是，在高的充电或放电电流下或在电压突然变化时，车载电网能够以在电路技术上断开的方式或者通过切换电池单体块的方式来支持尤其是高负荷的车载电网。
从其它从属权利要求和以下的说明书中能够得知本发明的其它优点、特征和细节。所提及的特征可以分别单独地或以任意组合的方式对于本发明而言是重要的。附图仅示例性地用于阐明本发明，并且不具有限制性特性。
附图说明
以下根据附图更详细地阐述本发明。在此：
图1示出具有电池子模块的根据本发明的双电压电池；
图2示出在第一配置中的具有两个电池子模块的根据本发明的双电压电池；
图3示出在第二配置中的具有两个电池子模块的根据本发明的双电压电池；
图4示出在第一配置中的具有三个电池子模块的根据本发明的双电压电池；
图5示出在第二配置中的具有三个电池子模块的根据本发明的双电压电池；
图6示出在第三配置中的具有三个电池子模块的根据本发明的双电压电池；
图7示出根据图6的双电压电池的电池子模块的细节视图；和
图8示出穿过根据本发明的双电压电池和根据现有技术的双电压电池的各个电池单体块的电流的对比。
具体实施方式
根据图1的根据本发明的双电压电池1包括：作为基本功能部件的第一电池子模块2，所述第一电池子模块具有第一车载电网端子3、第二车载电网端子4和接地连接点5；设置在接地连接点3、4之间DC/DC转换器6；示例性地与第二车载电网端子4相配的发电机7；以及第一辅助蓄能器8；和第二辅助蓄能器9。第一辅助蓄能器8与示例性示出的消耗器10相配，所述消耗器连接在第一车载电网端子3上并且以低的第一车载电网电压运行。第二辅助蓄能器9与第二消耗器11相配，所述第二消耗器连接在第二车载电网端子4上并且以高的第二车载电网电压运行。
双电压电池1的电池子模块2包括两个电池单体块12、13。多个开关元件14、15、16、17、18、19、20与这两个电池单体块12、13相配，这两个电池单体块由多个未单独示出的、优选结构相同的电池单体构造。开关元件14、15、16、17、18、19、20构成和设置为用于选择性地并联或串联连接所述电池单体块12、13。
在第一连接布置方式中，电池子模块2的电池单体块12、13并联连接，使得在第一车载电网端子3上提供第一车载电网电压。因此，在第一连接布置方式中，开关元件15、16、18、19闭合，而开关元件14、17、20断开。
在第二连接布置方式中，电池子模块2的电池单体块12、13串联连接。在第二连接布置方式中，在第二车载电网端子4上提供第二车载电网电压。在第二连接布置方式中，为了串联连接电池单体块12、13，开关元件14、17、20闭合，而开关元件15、16、18、19断开。
根据图2的根据本发明的第二实施方式，双电压电池1现在起包括两个结构相同的电池子模块21、22。电池子模块21、22的内部结构对应于根据图1的电池子模块2的结构。因此省去对结构的详细重述。
通过设有两个结构相同的电池子模块21、22，能够在双电压电池1上同时提供第一车载电网电压和第二车载电网电压。此外，能够切换电池子模块21、22的连接布置方式。在此，第一辅助蓄能器8和/或第二辅助蓄能器9暂时承担对第一车载电网或第二车载电网中的消耗器10、11的供电。
如果例如第一电池子模块21最初在第二车载电网端子4上提供高的第二车载电网电压，并且第二电池子模块22在第一车载电网端子3上提供低的第一车载电网电压，那么第一电池子模块21能够从第二连接布置方式进入第一连接布置方式。无论如何，然后由第一电池子模块21和第二电池子模块22在第一车载电网端子3上暂时提供第一车载电网电压。然后，暂时经由第二辅助蓄能器9运行耗电器11，所述耗电器以第二车载电网电压运行。此外，随后，将第二电池子模块22从第一连接布置方式转入第二连接布置方式中，使得现在起由第二电池子模块22提供用于第二消耗器11的第二车载电网电压。
使上述实施方案变得清楚，在设有两个电池子模块21、22时，能够示例性地持久地由双电压电池1对第一消耗器10以第一车载电网电压供能。与第一车载电网或在第一车载电网中的消耗器10相配的第一辅助蓄能器8就此而言是不必要的。在图3中示例性地示出双电压电池1的相应匹配且简化的配置。在图3中，双电压电池1设有两个结构相同的电池子模块21、22，该双电压电池与根据图2的配置相比仅省去用于第一车载电网的辅助蓄能器8，否则对应于根据图2的具有两个电池子模块21、22的双电压电池1的第一配置。
根据图4的具有三个相同的电池子模块23、24、25的双电压电池1构成为冗余的，使得持久地且尤其是也在改变或者说切换用于电池子模块23、24、25的连接布置方式时，各至少一个电池子模块23、24、25在第一车载电网端子3上提供第一车载电网电压，或者至少一个电池子模块23、24、25在第二车载电网端子4上提供第二车载电网电压。
因为在任意时间点至少一个电池子模块23、24、25可用于每个车载电网电压，因此能够以一致的方式省去用于以第一车载电网电压运行的第一耗电器10和以第二车载电网电压运行的第二耗电器11的辅助蓄能器8、9。相应适配的配置在图5中示出。
按照根据图6和图7的本发明的另一种实施方式规定，在电池内部构成附加的车载电网端子26，并且根据本发明的双电压电池1的三个电池子模块27、28、29在附加的车载电网端子26上同在第一车载电网端子3上一样提供低的第一车载电网电压。在第二车载电网端子4上不变地提供高的第二车载电网电压。
电池子模块27、28、29可以在第一车载电网端子3上提供低的第一车载电网电压，其方式为：开关元件15、16、18、19闭合，而所有其它开关元件17、20以及附加地设置的开关元件30、31断开。此外，可以在第一车载电网端子3和附加的车载电网端子26上同时提供低的第一车载电网电压，其方式为：附加地附加的开关元件30闭合。以类似的方式，可以仅在附加的车载电网端子26上提供低的第一车载电网电压，其方式为：附加的开关元件30闭合，而开关元件15断开。优选通过如下方式提供高的第二车载电网电压：从附加的车载电网端子26出发，将电池单体块12、13串联连接。为此，附加的开关元件31以及开关元件17和20闭合，而所有其它开关元件和附加的开关元件30断开。
通过设置附加的车载电网端子26，在双电压电池中，例如第一电池子模块27可以在第一车载电网端子3上提供低的第一电压，以用于对第一车载电网中的耗电器10供电。第二电池子模块28可以在附加的车载电网端子26上提供低的第一车载电网电压。参考附加的车载电网端子26，第三电池子模块29于是可以提供高的第二车载电网电压，以用于对第二车载电网端子中的耗电器11供电。第一车载电网和第二车载电网在这里彼此分开，使得例如第二车载电网中的高的充电或放电电流或第二车载电网中的电压变化不会对第一车载电网施加影响。就此而言，对第一车载电网中的耗电器10可靠地供应电能。
图8示出根据本发明的双电压电池相对于在现有技术中已知的双电压电池的对比。在这里假设，根据本发明的双电压电池包括四个电池子模块，这四个电池子模块分别具有两个电池单体块12.1、12.2、12.3、12.4、13.1、13.2、13.3、13.4，所述电池单体块以所说明的形式在第一车载电网端子3上提供第一车载电网电压和/或在第二车载电网端子4上提供第二车载电网电压。可以可选地设置附加的车载电网端子26。与此相比，根据现有技术中的参考的双电压电池设置两个电池单体块12.4、13.4，这两个电池单体块用于以第一车载电网电压持久地对第一车载电网供电。此外，设有两个电池子模块，这两个电池子模块分别具有三个电池单体，这三个电池单体可以并联连接以提供第一车载电网电压和/或以串联连接以提供第二车载电网电压。
该对比清楚地表明，根据本发明的双电压电池，电池电流在所有电池单体块上基本相同地构成，并且所有电池单体块与此相应地具有相同的负荷和/或非常类似的使用寿命。与此相比，在现有技术中已知的双电压电池中，一些电池单体块非常强烈地承受负荷，而其它电池单体块具有非常低的电池电流。因此，由现有技术中已知的双电压电池的使用寿命短于根据本发明的双电压电池的使用寿命。
相同的构件和构件功能通过相同的附图标记标识。
附图标记列表：
1 双电压电池
2 电池子模块
3 车载电网端子
4 车载电网端子
5 接地连接点
6 DC/DC转换器
7 发电机
8 辅助蓄能器
9 辅助蓄能器
10 消耗器
11 消耗器
12 电池单体块
12.1 电池单体块
12.2 电池单体块
12.3 电池单体块
12.4 电池单体块
13 电池单体块
13.1 电池单体块
13.2 电池单体块
13.3 电池单体块
13.4 电池单体块
14 开关元件
15 开关元件
16 开关元件
17 开关元件
18 开关元件
19 开关元件
20 开关元件
21 电池子模块
22 电池子模块
23 电池子模块
24 电池子模块
25 电池子模块
26 车载电网端子
27 电池子模块
28 电池子模块
29 电池子模块
30 开关元件
31 开关元件

Claims (9)

1.一种用于车辆的双电压电池(1)，所述双电压电池具有：至少一个接地连接点(5)；第一车载电网端子(3)，在所述第一车载电网端子上提供相对于接地连接点(5)的低的第一车载电网电压；和第二车载电网端子(4)，在所述第二车载电网端子上提供相对于接地连接点(5)的高的第二车载电网电压，其中，设有三个或更多个电池子模块(23、24、25)，所述三个或更多个电池子模块关于第一车载电网端子(3)和关于第二车载电网端子(4)彼此并联连接，其中，在每个电池子模块(23、24、25)中设有至少两个电池单体块(12、13)以及用于选择性地并联或串联连接所述电池单体块(12、13)的多个开关元件(14、15、16、17、18、19、20)，其中，在电池单体块(12、13)的第一连接布置方式中，所述电池单体块彼此并联连接，使得在第一车载电网端子(3)上提供相对于接地连接点(5)的第一车载电网电压，并且所述开关元件(14、15、16、17、18、19、20)在电池单体块(12、13)的第二连接布置方式中将电池单体块(12、13)彼此串联连接，使得在第二车载电网端子(4)上提供相对于第一车载电网端子(3)的电压以便提供第二车载电网电压，并且双电压电池(1)设置成，使得在所述电池子模块(23、24、25)的电池单体块(12、13)的连接布置方式切换时仍始终有至少一个电池子模块(23、24、25)提供第一车载电网电压并且有另外的电池子模块(23、24、25)提供第二车载电网电压，从而避免在提供低的第一车载电网电压和高的第二车载电网电压时的临时的中断，并且在第二连接布置方式中电池子模块(23、24、25)的所有电池单体块(12、13)上的电压对应于在第二车载电网端子(4)与第一车载电网端子(3)之间的电压。
2.根据权利要求1所述的双电压电池(1)，其特征在于，在所述第二连接布置方式中，电池子模块(23、24、25)的第一电池单体块(12)的负极与第一车载电网端子(3)连接，并且电池子模块(23、24、25)的最后的电池单体块(13)的正极与第二车载电网端子(4)连接。
3.根据权利要求2所述的双电压电池(1)，其特征在于，所有电池子模块(23、24、25)都构成为结构相同的。
4.根据权利要求1至3之一所述的双电压电池(1)，其特征在于，在所述第一车载电网端子(3)与所述第二车载电网端子(4)之间设有DC/DC转换器(6)。
5.根据权利要求1至3之一所述的双电压电池(1)，其特征在于，提供附加的车载电网端子(26)，其中，所述电池子模块(23、24、25)的电池单体块(12、13)能够经由开关元件(14、15、16、17、18、19、20)和/或经由附加的开关元件(30、31)关于附加的车载电网端子(26)转入作为第三连接布置方式的并联电路中和/或转入作为第四连接布置方式的串联电路中，并且所有电池子模块(23、24、25)关于附加的车载电网端子(26)彼此并联地设置。
6.根据权利要求5所述的双电压电池(1)，其特征在于，仅在电池内部构成所述附加的车载电网端子(26)，和/或在所述附加的车载电网端子(26)上提供第一车载电网电压。
7.根据权利要求5所述的双电压电池(1)，其特征在于，设有探测器单元，以探测在第二车载电网端子(4)上的充电电流和/或放电电流和/或所施加的电压和/或电压变化。
8.根据权利要求7所述的双电压电池(1)，其特征在于，设有中央控制单元，所述中央控制单元与开关元件(14、15、16、17、18、19、20)和/或所述附加的开关元件(30、31)共同作用，所述中央控制单元根据输入控制信号来操纵开关元件(14、15、16、17、18、19、20)和/或所述附加的开关元件(30、31)，以使所述电池单体块(12、13)转入第一连接布置方式和/或第二连接布置方式和/或第三连接布置方式和/或第四连接布置方式中。
9.根据权利要求8所述的双电压电池(1)，其特征在于，用于中央控制单元的所述输入控制信号由探测器单元提供。
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