CN110800186A - 具有改进的平衡性的蓄电池布置系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种蓄电池布置系统(100)，其包括第一蓄电池单元(111)，该第一蓄电池单元具有第一端子和第二端子；与第一蓄电池单元(111)串联的第二蓄电池单元(121)，该第二蓄电池单元具有第一端子和第二端子；和差分放大器(151)，该差分放大器具有反向输入端、同向输入端和输出端，在该输出端上存在反向输入端上的信号与同向输入端上的信号之间的放大的差；其中，差分放大器(151)的同向输入端与第一蓄电池单元(111)的第二端子连接并且与第二蓄电池单元(121)的第一端子连接，差分放大器(150)的反向输入端与第一蓄电池单元(111)的第一端子耦联并且与第二蓄电池单元(121)的第二端子耦联，以及差分放大器(150)的输出端与第二蓄电池单元(121)的第二端子连接。本发明的特征在于，在差分放大器(150)的输出端与第二蓄电池单元(121)的第二端子之间连接有具有两个负载端子的耦合元件(200)，该耦合元件能实现对第二蓄电池单元(121)经由耦合元件(200)进行充电，但至多允许第二蓄电池单元朝向差分放大器(150)的输出端的方向稍微放电。

Description

具有改进的平衡性的蓄电池布置系统
技术领域
本发明涉及一种按照权利要求1的前序部分所述的蓄电池布置系统、一种按照权利要求9所述的包括与这种蓄电池布置系统连接的电机的电驱动装置以及一种具有这种电驱动装置的机动车10。
背景技术
为了在包含不同的蓄电池单元的蓄电池布置系统中使由此可提供的电压尽可能均匀并且由此实现尽可能好的功率能力，开发了所谓的电压平衡电路(通常也被称为蓄电池单体平衡电路(battery cell balancing circuits))。即例如在US 2005/0269989 A1中描述了一种这样的电路，该电路通过在并联的分压器(基准)上的电压跟随器电路来均衡要平衡的蓄电池单元(所述蓄电池单元也可以包括多个蓄电池单体)。此外，按照US 2014/0035360 A1的这种电路被这样连接，使得该电路也可被任意扩展。
在DE 10 2016 207 555A1中描述了一种按照权利要求1的前序部分所述的蓄电池布置系统，在该蓄电池布置系统中，将另一个串联的电池单体电压用作基准。在此，“上一个电池单体”的电池单体电压的因数是-1，并且“下一个”的因数是2。在此，通过充电和放电来影响要平衡的蓄电池单元。在放电的情况下，来自电池单体或蓄电池单元的能量被转变成热并且因此在一定程度上被消耗。这会损害能量效率。
发明内容
本发明基于如下任务，给出一种蓄电池布置系统，在该蓄电池布置系统中克服了上面提到的能量效率受到损害的问题。
该任务利用按照权利要求1所述的蓄电池布置系统来解决。本发明的有利的进一步改进方案是从属权利要求的技术方案。
按照本发明，蓄电池布置系统包括：第一蓄电池单元，该第一蓄电池单元具有第一端子和第二端子；与第一蓄电池单元串联的第二蓄电池单元，该第二蓄电池单元具有第一端子和第二端子；和差分放大器，该差分放大器具有反向输入端、同向输入端和输出端，在该输出端上存在反向输入端上的信号与同向输入端上的信号之间的放大的差；其中，差分放大器的同向输入端与第一蓄电池单元的第二端子连接并且与第二蓄电池单元的第一端子连接，差分放大器的反向输入端与第一蓄电池单元的第一端子耦联并且与第二蓄电池单元的第二端子耦联，以及差分放大器的输出端与第二蓄电池单元的第二端子连接。按照本发明还规定：在差分放大器的输出端与第二蓄电池单元的第二端子之间连接有具有两个负载端子的耦合元件，该耦合元件能实现对第二蓄电池单元经由耦合元件进行充电，但至多允许该第二蓄电池单元朝向差分放大器的输出端的方向稍微放电。因此，按照本发明所设置的耦合元件防止第二蓄电池单元过度强烈地放电，或该耦合元件完全防止这种放电，而同时第二蓄电池单元的充电可不受阻碍地实现。由此，避免被蓄存的能量不必要地转变成热并且提高能量效率。具有最高的极电压的蓄电池单元的放电仅部分地经由或完全不经由借助差分放大器所引起的放电而进行。附加的放电作用到每个蓄电池单元上，当所述蓄电池单元作为供电电源接入被扩展的平衡电路中时。这产生如下优点：相应的电压平衡电路以强烈充电而较少直至完全不放电的方式工作，并且因此以能量优化的方式工作。
术语蓄电池单元相应应理解为，一个蓄电池单体或多个蓄电池单体(也仅被简称为“电池单体”)集成为一个单元。
所述差分放大器可以例如以简单的方式由一个运算放大器形成。
按照本发明的一种有利的设计方案，所述耦合元件是二极管(该二极管具有两个负载端子)。在此要注意的是，所述运算放大器或差分放大器的接线这样进行，使得二极管特性曲线的门限电压和二极管的正向电阻被大致补偿直至被完全补偿。在此，差分放大器的接线这样进行，使得所述差分放大器在其输出端上提供如下电压，该电压由在已充电状态下的电池单体电压和所使用的二极管的门限电压组成。二极管的正向电阻同样可以通过对于分压器所使用的电阻被大致补偿。
替代地，在本发明的另一种有利的设计方案中可行的是，将晶体管(该晶体管同样具有两个负载端子)用作耦合元件。通过相应地操控所述晶体管便例如可以允许第二蓄电池单元以期望的微弱的程度放电(或者也可以完全防止该放电)。关于差分放大器与后置的二极管的接线所进行的阐释按意义适用于使用晶体管的情况。
按照本发明的一种有利的实施方式，所述差分放大器被这样接线，使得该差分放大器设计为通过同向放大器进行平衡的电压平衡器。在此，差分放大器的反向输入端与供电电源的负极连接，而差分放大器的同向输入端与供电电源的正极连接。
替代地，所述差分放大器可以被这样接线，使得该差分放大器设计为通过反向放大器进行平衡的电压平衡器。在此，差分放大的反向输入端器与供电电源的正极连接，并且差分放大器的同向输入端与供电电源的负极连接。
另一种设计可行方案在于，将所述差分放大器这样接线，使得该差分放大器设计为用于电压平衡的电压跟随器电路。在这种情况下，差分放大器的反向输入端及其输出端与第一蓄电池单元的第一端子连接并且与第二蓄电池单元的第二端子连接，而差分放大器的同向输入端经由分压器电路连接在供电电源的两个极之间。
本发明的一种有利的设计方案在于，设置多个差分放大器，所述多个差分放大器用于相应的数量的附加的蓄电池单元(连同相应的接线)，所述多个差分放大器级联地布置。因此，具有多个蓄电池单元的蓄能器可以在相应的所输出的电压方面被平衡。
按照本发明的另一种有利的进一步改进方案，可以设有另外的第三蓄电池单元，该第三蓄电池单元具有第一端子和第二端子，其中，所述第三蓄电池单元的第二端子以及差分放大器的供应端子与供电电源的第二极连接，而第一蓄电池单元的第一端子以及差分放大器的供应端子与供电电源的第一极连接。这能实现：“再下一个”蓄电池单元或电池单体也可以被用作基准或供电电源。
此外，开头提及的任务通过一种按照权利要求9所述的包括电机的电驱动装置以及一种按照权利要求10所述的包括这种电驱动装置的机动车来解决。与此相应地，也得到和结合上文所描述的内容一样的或类似的优点，因此为了避免重复而参照上文关于按照本发明的装置所阐述的内容。
附图说明
下面借助附图示例性地阐释本发明的一些有利的实施方式。
图中：
图1示出按照本发明的具有一个作为通过同向放大器进行平衡的电压平衡器而接线的差分放大器的蓄电池布置系统的第一实施方式；
图2示出按照本发明的具有多个串联的蓄电池单元和级联地连接的差分放大器的蓄电池布置系统的第二实施方式，所述差分放大器分别作为通过同向放大器进行平衡的电压平衡器而接线；
图3示出按照本发明的具有一个作为通过反向放大器进行平衡的电压平衡器而接线的差分放大器的蓄电池布置系统的第三实施方式；
图4示出按照本发明的具有多个串联的蓄电池单元和级联地连接的差分放大器的蓄电池布置系统的第四实施方式，所述差分放大器分别作为通过反向放大器进行平衡的电压平衡器而接线；
图5示出按照本发明的具有一个作为通过电压跟随器电路进行平衡的电压平衡器而接线的差分放大器的蓄电池布置系统的第五实施方式；以及
图6示出按照本发明的具有多个串联的蓄电池单元和级联地连接的差分放大器的蓄电池布置系统的第六实施方式，所述差分放大器分别作为通过电压跟随器电路进行平衡的电压平衡器而接线。
具体实施方式
在图1中示出按照本发明的蓄电池布置系统100的第一实施方式。第一蓄电池单元111和第二蓄电池单元121以及第三蓄电池单元131串联。设有构成为运算放大器的差分放大器150，该差分放大器的输出端与第二蓄电池单元121的第二极(在这里是正极)耦联。差分放大器150的同向输入端与第一蓄电池单元111的正极连接。差分放大器150的反向输入端经由第一电阻R1而与第一蓄电池单元111的第一极(在这里是负极)连接。差分放大器150的反向输入端经由第二电阻R2以及电阻R0而与差分放大器150的输出端连接并且与第二蓄电池单元121的正极连接。在该第一实施方式中，差分放大器150由于其接线而作为具有增益因数为2的电压放大器工作。
按照本发明，在差分放大器150的输出端(在反馈回路的连接部位下游)与第二蓄电池单元121的第二极之间连接有耦合元件200，该耦合元件在这里构成为“简单的”二极管210。该二极管210防止第二蓄电池单元121为了平衡整个蓄电池布置系统100而放电，而该二极管另一方面能实现第二蓄电池单元121为了平衡的目的而充电。由此，达到更高的能量效率，因为在第二蓄电池单元121中所包含的能量没有由于放电而被转变成热并且因此流失。仍要提到的是，另一个二极管、例如齐纳二极管也可以替代所提及的“简单的”二极管210来使用。在此要注意的是，差分放大器150的接线这样进行，使得二极管特性曲线的门限电压和二极管的正向电阻被大致补偿直至被完全补偿。各电路中的R0的设计可以这样进行，使得差分放大器在输出端上提供如下电压，该电压由蓄电池单元在已充电状态下的电压与所使用的二极管的门限电压组成。二极管的正向电阻同样可以通过R1和R2被大致补偿。
如在图1中所示出的，第一蓄电池单元111的第一极以及第三蓄电池单元131的第二极用作用于差分放大器150的供电电源或基准。替代地，也可行的是，为此不是使用第三蓄电池单元131的第二极，而是使用第二蓄电池单元121的第二极。
不言而喻地，在该实施方式中，第一蓄电池单元121可以由唯一一个蓄电池单体或多个相继串联的蓄电池单体形成。
此外，包括串联的蓄电池单元111、121、131、141和/或蓄电池组的串可以完全地平衡，当该串的所有蓄电池单元均以在图2的级联的布置来连接时，该布置系统构成按照本发明的蓄电池布置系统200的第二实施方式。关于第一实施方式所进行阐释的内容也适用于该第二实施方式以及适用于其它实施方式，只要没有阐述与此相反的内容或只要这不是本身禁止的。
图3示出按照本发明的蓄电池布置系统300的第三实施方式，该第三实施方式基本上与第一实施方式互补。第一蓄电池单元111和第二蓄电池单元121串联。差分放大器150的输出端与第二蓄电池单元121的负的第二极连接。差分放大器150的同向输入端与第一蓄电池单元111的负极连接，并且差分放大器150的反向输入端经由第一电阻R1而与第一蓄电池单元111的正的第一极耦联。此外，差分放大器150的反向输入端经由第二电阻R2以及电阻R0与差分放大器150的输出端耦联或与第二蓄电池单元121的负极耦联。
在与在第一实施方式中相反的极性的情况下，在这里二极管210连接在差分放大器150的输出端与第二蓄电池单元121的第二端子之间。由此，二极管210可以满足和在第一实施方式中一样的功能。
在该第三实施方式中，差分放大器150由于其接线而具有为-1的增益。第一电阻R1的值和第二电阻R2的值在该实施方式中是相同的。
通过差分放大器150及其接线实现，在第一蓄电池单元111的端子和第二蓄电池单元121的端子上施加相同的电位。因此，第一蓄电池单元111和第二蓄电池单元121彼此平衡。如已经提到的那样，通过该平衡实现，蓄电池单元111、121中的更高比例的电荷可供与所述蓄电池单元连接的用电器使用。
类似如在图2中示出的第二实施方式那样，在图4中示出的蓄电池布置系统400的第四实施方式中也可行的是，将多个差分放大器150级联地布置，以便对多于仅两个或三个蓄电池单元111、121、131平衡。作为对在前三种实施方式中使用的二极管210的使用方案的替代方案，在该第四实施方式中示例性地示出晶体管220。在相应地接线并且通过仅示意性地示出的所述晶体管220的操控装置230操控时，晶体管220可以实施和二极管210一样的功能。此外可行的是，这样操控晶体管220，使得该晶体管提供第二蓄电池单元121(或任意与该第二蓄电池单元相关联的其它蓄电池单元)的放电的可行性。在此，通过适当的控制可以将所涉及的蓄电池单元的放电程度局限于期望的最高限度。不言而喻地，在所有其余实施方式中，这种晶体管220也可以代替所示出的二极管210来使用。
在图5中示出本发明的第五实施方式。在此，差分放大器150被这样接线，使得该差分放大器形成用于电压平衡的电压跟随器电路。第一蓄电池单元111和第二蓄电池单元121又串联。差分放大器150的输出端经由二极管210而与在第一蓄电池单元111的负的第一极与第二蓄电池单元121的正的第二极之间的一个部位连接。差分放大器150的同向输入端经由第一电阻R1以及电阻R0而与第二蓄电池单元121的负极连接以及经由第二电阻R2而与第一蓄电池单元111的正极耦接。差分放大器150的反向输入端与差分放大器150的输出端连接并且因此同样与在第一蓄电池单元111的负的第一极与第二蓄电池单元121的正的第二极之间的一个部位连接。该电压跟随器电路由于其接线而具有为1的增益。在这种情况下，并行的分压器的电压对电池单体产生影响。
按照图6中的图示，类似于第二实施方式和第四实施方式，多个差分放大器150可以设置在按照本发明的蓄电池布置系统600中并且使用在用于多个蓄电池单元111、121、131、141的一个级联布置系统中。在由开头提及的US 2005/0269989 A1已知的平衡电路中，二极管同样可以连接在差分放大器或运算放大器的负反馈之后，并且经由附加的电阻R0使增益与二极管特性曲线相匹配。该基本电路可以(借助US 2014/0035360A1)以图6中示出的方式来扩展，从而经由下面的区域中的分压器通过各电压跟随器电路分别对各由两个电池单体构成的区块进行平衡。附加地，上面的区域中的第二分压器同样经由一个电压跟随器电路骑跨地对两个电池单体区块进行平衡。
要说明的是，本发明的参照各个实施方式或变型方案所描述的特征、例如耦合元件以及各个电阻的类型和设计及其空间上的布置也可以存在于其它实施方式中，除非另外说明或出于技术原因本身而不能实现。此外，在各个实施方式的组合说明的这种特征之中，并不一定总是实现一个所涉及的实施方式中的所有特征。

Claims (10)

1.蓄电池布置系统(100；200；300；400；500；600)，其包括：
第一蓄电池单元(111)，所述第一蓄电池单元具有第一端子和第二端子；
与所述第一蓄电池单元(111)串联的第二蓄电池单元(121)，所述第二蓄电池单元具有第一端子和第二端子；和
差分放大器(150)，所述差分放大器具有反向输入端、同向输入端和输出端，在所述输出端上存在所述反向输入端上的信号与所述同向输入端上的信号之间的放大的差；其中，
——所述差分放大器(150)的同向输入端与所述第一蓄电池单元(111)的第二端子连接并且与所述第二蓄电池单元(121)的第一端子连接，
——所述差分放大器(150)的反向输入端与所述第一蓄电池单元(111)的第一端子耦联并且与所述第二蓄电池单元(121)的第二端子耦联，以及
——所述差分放大器(150)的输出端与所述第二蓄电池单元(121)的第二端子连接；
其特征在于，在所述差分放大器(150)的输出端与所述第二蓄电池单元(121)的第二端子之间连接有具有两个负载端子的耦合元件(200)，所述耦合元件能实现对所述第二蓄电池单元(121)经由所述耦合元件(200)进行充电，但至多允许所述第二蓄电池单元朝向所述差分放大器(150)的输出端的方向稍微放电。
2.根据权利要求1所述的蓄电池布置系统(100；200；300；400；500；600)，其特征在于，所述耦合元件(200)是二极管(210)。
3.根据权利要求1所述的蓄电池布置系统(300)，其特征在于，所述耦合元件(200)是晶体管(220)，能在一定范围内控制所述晶体管使得所述第二蓄电池单元朝向所述差分放大器(150)的输出端方向完全不能放电或直至能以确定的微弱的程度放电。
4.根据权利要求1至3之一所述的蓄电池布置系统(100；200)，其特征在于，所述差分放大器(150)接线为使得所述差分放大器设计为通过同向放大器进行平衡的电压平衡器。
5.根据权利要求1至3之一所述的蓄电池布置系统(300；400)，其特征在于，所述差分放大器(150)接线为使得所述差分放大器设计为通过反向放大器进行平衡的电压平衡器。
6.根据权利要求1至3之一所述的蓄电池布置系统(500；600)，其特征在于，所述差分放大器(150)接线为使得所述差分放大器设计为用于电压平衡的电压跟随器电路。
7.根据上述权利要求之一所述的蓄电池布置系统(200；400；600)，其特征在于，设有多个差分放大器(150)，所述多个差分放大器级联地连接。
8.根据上述权利要求之一所述的蓄电池布置系统(100；200；300；400；500；600)，其特征在于，设有第三蓄电池单元(131)，所述第三蓄电池单元具有第一端子和第二端子，所述第三蓄电池单元的第二端子以及所述差分放大器(150)的供应端子与供电电源的第二极连接，而所述第一蓄电池单元(121)的第一端子以及所述差分放大器(150)的供应端子与供电电源的第一极连接。
9.电驱动装置(20)，其包括电机(22)，所述电机与按照权利要求1至8之一所述的蓄电池布置系统(100；200；300；400；500；600)连接。
10.机动车(10)，其包括按照权利要求9所述的电驱动装置(20)。
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