CN111071101A - 用于运行电储能器的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于运行尤其用于机动车的储能器(2、4)的方法，该方法包括以下步骤：借助分析处理单元(6，6')求取(20)第一储能器(2)的充电状态。借助分析处理单元(6，6')求取(22)第二储能器(4)的充电状态，借助分析处理单元(6，6')求取(24)当前的功率需求，借助控制单元(8)基于所求取的充电状态和所求取的当前的功率需求来匹配(26)至少一个储能器(2，4)的运行，其中，所述匹配(26)借助至少一个半导体开关(10)尤其双向地进行。

Description

用于运行电储能器的方法和系统
技术领域
本发明涉及用于运行电储能器的一种方法和一种系统。
背景技术
由现有技术已知用于优化电储能器的并行运行的方法和系统。
在此，为了扩展车辆的电续航，多个同类型蓄电池的并行运行尤其是有意义的。对于并行运行而言，蓄电池的充电状态必须彼此接近，以便没有大的平衡电流(Ausgleichsstrom)从一个蓄电池流向另一蓄电池。出于相同的原因，也无法轻易地并行运行不同老化的或不同尺寸的、具有不同电池单体化学性质的蓄电池。
发明内容
本发明涉及用于运行电储能器的一种方法和一种系统。本发明的其他特征和细节由说明书和附图得出。在此，结合根据本发明的方法所描述的特征和细节显然也适用于结合根据本发明的系统，反之亦然，从而关于本发明的各个方面的公开始终相互参照或可以相互参照。
根据本发明的方法尤其用于(优选用于移动系统中的)电储能器的运行。
在此，该方法的优点主要在于确保储能器的并行运行，而无需使用易磨损的继电器、笨重且昂贵的DC/DC转换器或造成功率损耗的二极管电路，这种并行运行尤其允许直接充电或制动能量回收到储能器。
用于运行电储能器的方法可以优选用于车辆、尤其用于电动车辆或混合动力车辆。在此，首先借助根据本发明方法的分析处理单元求取第一储能器的充电状态。在借助分析处理单元求取第一储能器的充电状态的同时或之后，借助分析处理单元具体地求取第二储能器的充电状态。在此，可以求取同一个或不同的分析处理单元的充电状态。在此，尤其可以通过空载电压的测量或通过在分流器上对电流的测量来求取储能器的充电状态。替代地，在使用具有液体电解质的储能器时，也可以通过借助气压计等测量酸密度来求取储能器的当前的充电状态。此外，可以优选自由地选择并且例如可以根据其他参数(例如储能器的当前的充电状态或当前的环境条件)来改变用于求取储能器的充电状态的时间间隔。此外，根据本发明的方法，在求取储能器的充电状态之后或同时，借助分析处理单元求取当前的功率需求。在此，也可以借助单独的分析处理单元或者也可以借助与如下分析处理单元相同的分析处理单元来求取当前的功率需求：也可以借助该分析处理单元确定第一和/或第二储能器的充电状态。在本发明的范畴内，当前的功率需求在此应理解为如下系统的当前载荷：该系统尤其包括根据本发明的储能器。当在机动车中使用根据本发明的储能器时，这尤其可以是路段特性(例如平地行驶、上坡行驶或下坡行驶)。同样，当前的功率需求可以是当前的牵引重量、运输重量等。此外，用电器的当前的电流特性、尤其逆变器的中间回路电压的骤降或恢复也可以被视为当前功率需求。在根据本发明求取储能器的充电状态以及根据本发明求取当前的功率需求之后，最后借助控制单元基于所求取的充电状态和所求取的当前功率需求来匹配至少一个储能器的运行，其中，借助至少一个半导体开关尤其双向地进行所述匹配，在此，根据本发明的匹配可以优选是动态的(即能够连续变化并且尤其根据当前的行驶模式进行)。在实施根据本发明的方法期间可以设置，优选重复地进行求取当前的充电状态和当前的功率需求的各个步骤。这尤其对于改善所述方法的效力以及必要时提高方法的准确性会是有意义的。在此优选地，仅当达到或超过确定的极限值之后才进行具体的匹配。使用半导体开关能够替代易磨损的继电器、笨重且昂贵的DC/DC转换器或造成损耗的二极管电路的不利使用。在此，半导体开关尤其应能够实现非常快速的切换，这保护并行运行的储能器免受平衡电流的影响。优选地，半导体开关应适用于在短时间内切换高开关电流(所述高开关电流例如直至20A、优选直至200A、尤其优选直至300A、尤其高于500A)，以便能够用于小型应用(例如电动自行车、电动踏板车)，也能够用于更大型的应用(例如电动摩托车、电动汽车、电动卡车、轮船或飞行对象)，或者可以用于固定应用。替代地，在根据本发明的方法的范畴内，还可以设置基于软件的接通和断开过程，其中，这些接通和断开过程同样必须足够快，以便保护储能器免受平衡电流的影响。双向电路还能够实现朝两个方向的更灵活的匹配，从而不仅可以有针对性地基于所求取的充电状态和所求取的当前的功率需求进行充电而且可以进行放电。
有利地，考虑到在本发明的范畴内实现更快和更灵活的匹配，还可以设置，对于每个储能器借助至少两个半导体开关来匹配至少一个储能器的运行。在此，半导体开关可以优选集成到控制单元中。
在根据本发明的方法的特别友好的实施方案的范畴内，还可以提供短路识别装置，其中，在识别到短路时，对控制单元的至少一个储能器的运行进行匹配，尤其借助控制单元关断至少一个储能器。在这种实施方案范畴内，优选永久地在线路断裂方面检查集成有所述储能器的电路，其中，在识别到短路时可以有利地重新(尤其通过使用半导体开关)进行快速关断，从而通过快速关断来保护储能器。尤其当使用继电器进行关断时，对短路的关断是成问题的，储能器会由于短路情况下的大电流而不可逆地损坏。继电器或保险丝的关断时间通常如此长，使得在断开之前导致很高的电流并且损坏储能器或其构造和连接技术。因此，优选通过布置在控制单元装置内的用于短路识别和/或短路关断的设备来进行短路识别。替代地，可以通过常规的过电流保护装置(例如熔断保险丝、电子保险丝)等来进行短路识别和短路关断。
此外，可以在根据本发明的方法的范畴内设置，将至少一个储能器的运行匹配于机动车的当前的行驶特性，其中，所述匹配优选根据储能器的空载电压与中间回路电压的比较来进行。因此，例如可以根据本发明的方法在初始状态中相继运行两个储能器，这两个储能器具有不同的充电容量、电池单体老化或电池单体化学性质。在根据本发明求取当前的功率需求的范畴内，例如可以关于当前的行驶特性求取到不同的功率需求，并且将至少一个储能器的运行相应地匹配于所求取的当前的功率需求。
因此，在低功率需求的情况下(例如当车辆在平地上行驶时)，分析处理单元例如可以通过储能器的当前的电池单体电压或空载电压来求取储能器的当前的充电容量，并且将该当前的充电容量与当前的中间回路电压进行比较。如果现在在此记录到储能器的空载电压大于中间回路电压，即EBat>EZ，则例如可以(通过优选布置在分析处理单元上的半导体开关相应地对系统进行切换来)匹配运行，从而储能器以较高的空载电压(即储能器以当前更大的充电容量)给系统供电。
在高功率需求的情况下(例如当车辆在山地上行驶时)，中间回路电压现在会降到低于具有较低充电容量的储能器的空载电压，因此优选借助半导体开关也将第二储能器接通，于是，两个储能器都能给中间回路或该系统供电，因此，电流根据储能器的内阻分配。
除了低功率需求和高功率需求之外，还可以求取到其他功率特性，然后同样基于所求取的充电状态和所求取的当前的功率需求将至少一个储能器的运行匹配于所述其他功率特性。因此，例如可以确定从山地行驶到平地行驶过渡的行驶特性。在这种行驶的情况下，中间回路电压通常会增加，从而中间回路电压超过空载电压或第一个电池的充电容量，并且存在EZK>EBat。在这种情况下，可以将与具有较低空载电压的储能器的连接永久地断开，从而只有具有较高空载电压的储能器给系统或中间回路供电。
最后，也可以在根据本发明的方法的范畴内设置，对储能器进行充电。因此，例如可以在下坡行驶时通过回收来对储能器充电。在这种下坡行驶时，中间回路电压通常会持续增加、直到其大于具有较高空载电压或较大充电容量的储能器的空载电压为止。从这一点出发(在此EZK>EBat也适用于激活的储能器)，可以将电流方向反转，并且可以借助回收(Rekuperation)来对储能器进行充电。如果中间回路电压处于例如两个电池的空载电压之间(EBat1>EZK>EBat2)，则优选通过回收仅对具有较低充电状态的电池充电，借此，所述具有较低充电状态的电池接近满电池的充电状态(“无损耗回收平衡”)。出于使无损耗回收平衡最大化的原因，第二个电池的接通可能如此长时间的延迟，直到回收能量无法仅由一个电池吸收。
因此，在所述方法的一种特别高效节能的实施方式的范畴内，可以设置如下方法：将至少一个储能器的运行匹配于机动车的行驶特性，由此将电流方向反转，其中，电流方向的反转优选导致至少一个储能器充电。通过对电流方向的根据本发明的识别，在此尤其可以为储能器的放电确定不同于为充电所设置的能量阈值。这是尤其是有意义的，因为许多储能器对于充电和放电具有不同的最大值，因此可以充分利用最大可能的充电速度或放电速度。此外，关于储能器的充电可以想到的是，在识别回收或储能器的充电时定义或可以定义：哪个储能器应包含充电。这例如可以是具有较低充电容量的储能器，或者也可以关于其他参数(例如电池单体化学性质、电池单体温度或其他参数)来进行确定。
本发明的主题还是一种用于运行储能器的系统，该系统尤其用于执行上述方法。在此具体设置，该系统具有至少一个第一储能器和第二储能器。此外，根据本发明的系统包括至少一个分析处理单元，该分析处理单元用于求取第一和第二储能器的当前的充电状态以及系统的当前的功率需求。此外，该系统包括控制单元，该控制单元用于基于所求取的充电状态和该系统的所求取的当前的功率需求来匹配储能器中的至少一个的运行。因此，根据本发明的系统具有与已经关于根据本发明的方法详细列举的相同的优点。由于根据本发明的系统，尤其能够彼此并行地运行具有不同充电状态、不同老化和不同电池单体化学性质的储能器，而无须使用易磨损的继电器和/或笨重且昂贵的DC/DC转换器和/或导致高损耗的二极管电路。关于根据本发明的系统的优点，控制单元在此如此构造，使得即使在储能器的老化和充电状态不同的情况下也可以提供期望的系统功率。为了控制根据本发明的系统，各个系统部件优选通过控制连接或通信连接彼此连接。在此，控制连接或通信连接可以至少部分地无线地或非接触式地和/或至少部分地有线地构造。在根据本发明的系统的有线实施方案的范畴内，控制连接和/或通信连接可以有利地通过总线系统(尤其CAN总线系统)彼此连接。在该系统的无线或非接触式实施方案的范畴内，各个系统部件可以有利地通过WLAN、蓝牙、NFC、Zigbee等连接。
此外，在本发明的范畴内提出，该系统的储能器以电储能器和/或电化学储能器和/或化学储能器的形式构造。在电储能器的范畴内，储能器在此尤其可以构造成电容器或超级电容器(Super-Caps)。在电化学储能器方面，所述储能器可以优选以蓄电池或电池(尤其铅酸电池、锂离子电池、钠硫电池、氧化还原液流电池等)形式构造。在储能器的作为化学储能器的实施方案方面，所述储能器尤其可以构造成燃料电池。
为了实现根据本发明的系统的一定的模块化、尤其简单的集成和可改装性，还可以具体设置：分析处理单元具有用于检测如下数据的探测装置：所述数据用于求取第一和第二储能器的当前的充电状态以及系统的当前的功率需求。在此，分析处理单元可以优选以数字分析处理单元的形式构造并且可以包括传感器形式的探测装置，所述传感器有利地布置在主题系统的不同位置处。在确定当前的充电状态方面，这尤其可以是用于确定当前的电流的传感器(例如分流电阻(Shunt)或霍尔传感器)或用于确定当前的电流方向、当前温度、当前的空载电压、当前的内部电阻或电荷量的传感器等。在当前功率需求方面，所述传感器还尤其可以构造用于确定路段特性、当前的速度、当前消耗的功率、当前的逆风、当前的牵引重量或运输重量等。在特别精确地和有效力地确定当前的充电状态和/或系统的当前功率需求的范畴内，尤其可以借助各种传感器来求取借助探测单元检测到的数据，其中，在此优选对数据取平均和/或加权和/或进行其他统计数据分析处理方法。在系统组件的简单和有效的通信的范畴内，可以进一步设置：分析处理单元包括或耦合到电池管理系统等上。
在基于所求取的充电状态和所求取的当前的功率需求对至少一个储能器进行高效节能的、成本有利的并且同时友好的匹配方面，根据本发明尤其可以设置，控制单元具有至少一个半导体开关，所述至少一个半导体开关用于匹配至少一个储能器的运行。优选地，该主题系统在此包括多个彼此连接的尤其集成到控制单元中的半导体开关，所述半导体开关用于匹配至少一个储能器的运行。在此，至少一个半导体开关优选适用于在短时间内对高开关电流进行切换，所述高开关电流例如直至20A、优选直至200A、特别优选直至300A、尤其大于500A。
优选地，根据本发明的半导体开关构造成场效应晶体管、尤其金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，并且能够通过施加控制电压(栅极-源极电压)或控制电位(栅极电位)而进行切换。替代地或累积地，所述半导体开关也可以以晶闸管或双极型晶体管的形式构造(尤其IGBT开关或SiC开关)。
本发明的主题还涉及一种机动车、尤其电动车辆或混合动力车辆，该机动车包括上述系统。作为机动车的替代方案，根据本发明的系统也可以尤其集成到两轮车、船、叉车、卡车、飞行对象、固定装置等中。
附图说明
由以下参照附图详细描述本发明的实施例的说明书得出本发明的其他优点、特征和细节。附图示出：
图1示出根据本发明的用于运行尤其用于机动车的储能器的方法的示意图；
图2示出根据本发明的用于运行储能器的系统的示意图。
在附图中，相同的附图标记用于相同的技术特征。
具体实施方式
图1示出根据本发明的用于运行尤其用于机动车的储能器2、4的方法的示意图，该方法包括步骤20至26。在根据本发明的方法的第一步骤中，首先借助第一分析处理单元6求取20第一储能器2的充电状态。
在优选与第一步骤同时实施的第二步骤中，还借助第二分析处理单元6'求取22第二储能器4的充电状态。在此，也可以替代地借助相同的分析处理单元6、6'求取储能器2、4的充电状态，其中，在此优选通过在分流器上对电流的测量或空载电压的测量等来求取22、24储能器2、4的充电状态。
在根据本发明的方法的第三步骤中，该第三步骤同样要么与该方法的第一步骤和/或第二步骤同时地进行要么时间偏移地进行，借助分析处理单元6、6'中的一个求取当前的功率需求。在此，也可以替代地通过未在此明确示出的单独的分析处理单元4”来进行所述求取24。在此，当前的功率需求尤其应理解为实施根据本发明的方法的系统的当前载荷(Beanspruchung。例如，这可以是当前的行驶特性(例如上坡行驶或下坡行驶等)或者甚至是当前的运输重量或牵引重量等。
在步骤1至3之后，最后在本方法的第四步骤中，借助控制单元8基于所求取的充电状态和所求取的当前的功率需求来匹配26至少一个储能器2、4的运行。在此，匹配26优选在根据本发明求取20、22、24储能器2、4的充电状态以及当前的功率需求的之后进行。在此，对至少一个储能器2、4的运行的匹配26可以优选借助至少一个半导体开关10来进行，该半导体开关可以优选集成到控制单元8中，以这种方式替代易磨损的继电器、笨重且昂贵的DC/DC转换器或造成损耗的二极管开关的使用。在此，尤其可以将至少一个储能器2、4的运行匹配于26机动车的当前的行驶特性，其中，优选根据储能器2、4的空载电压与中间回路电压的比较来进行所述匹配26。在当前的行驶特性方面，在此例如可以区分不同的状态(例如初始状态、低功率需求状态、高功率需求状态、山地行驶到平地行驶的过渡状态或山地行驶的状态)。
在尽可能可靠地实施根据本发明的方法方面，还可以优选循环地重复该方法的各个步骤。在此，特别有利的是，循环地重复根据本发明的方法的前三个步骤20、22和24，并且仅在达到或超过确定的极限值之后才进行匹配26至少一个储能器的运行的第四步骤。
此外，在本方法的范畴内还可以设置，将至少一个储能器2、4的运行匹配于26机动车的当前的行驶特性，使得电流方向发生反转，其中，电流方向的反转优选导致至少一个储能器充电。在充电的范畴内，在此优选借助回收等来对机动车的储能器2、4充电。
图2示出根据本发明的用于运行电储能器2、4的系统1的示意图。本系统1在此包括第一储能器2、第二储能器4并且在当前情况下包括第一分析处理单元6和第二分析处理单元6'，该第一和第二分析处理单元用于求取第一和第二储能器2、4的当前的充电状态以及系统1的当前的功率需求。
在本系统1的特别紧凑和简单的布置的范畴内，只能布置一个分析处理单元6或6'，该分析处理单元执行第一和第二储能器2、4的当前充电状态的求取并且还求取系统1的当前的功率需求。在此，储能器2、4当前尤其以电储能器和/或电化学储能器和/或化学储能器(例如电容器、超级电容器、蓄电池、电池、燃料电池等)的形式构造。
在分析处理单元6、6'中当前布置有探测装置12，该探测装置优选构造为传感器等，并且该探测装置根据对当前空载电压或电流等的测量来确定储能器2、4的充电状态。这尤其可以是电流测量电阻(例如分流器或霍尔传感器等)。在系统1的当前的充电状态和/或当前的功率需求的特别精确和有效力的确定的范畴内，尤其可以借助各种传感器12求取由探测单元12所检测的数据，其中，优选对所述数据取平均和/或加权和/或进行其他统计数据分析处理方法。
除了储能器2、4和分析处理单元6、6'之外，该系统1还包括控制单元8，该控制单元分别通过通信线路和控制线路14与分析处理单元6、6'连接，该控制单元用于基于所求取的充电状态和该系统1的所求取的当前的功率需来匹配26至少一个储能器2、4的运行。
在此，控制单元8具有用于匹配储能器2、4的运行的四个半导体开关10，所述半导体开关当前构造成场效应晶体管、尤其金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，并且能够通过施加控制电压(栅极-源极电压)或控制电位(栅极电位)来进行切换。替代地或累积地，所述半导体开关也可以以晶闸管或双极型晶体管的形式(尤其IGBT开关或SiC开关)构造。通过根据本发明的半导体开关10的装置，尤其可以省去易磨损的继电器、笨重且昂贵的DC/DC转换器或噪声损耗的二极管开关的使用，从而确保电储能器的高效节能的、成本有利的并且同时友好的运行。所述半导体开关在这种情况下尤其能够在短时间内对高开关电流进行切换，其中，所述开关例如可以切换直至20A、优选直至200A、特别优选直至300A、尤其大于500A的电流。此外，在控制单元8内布置有用于识别短路的短路识别装置16，该短路识别装置有利地也适用于关断短路。借助短路识别装置16，例如可以通过在栅极上适当地将控制电压降低到例如0V或负电位来中断与储能器的连接。替代地，短路识别装置16和/或短路关断装置还可以通过常规的过电流保护装置(例如熔断保险丝、电子保险丝等)构造。

Claims (10)

1.一种用于运行尤其用于机动车的电储能器(2，4)的方法，所述方法包括以下步骤：
借助分析处理单元(6，6')求取(20)第一储能器(2)的充电状态，
借助分析处理单元(6，6')求取(22)第二储能器(4)的充电状态，
借助分析处理单元(6，6')求取(24)当前的功率需求，
借助控制单元(8)基于所求取的充电状态和所求取的当前的功率需求来匹配(26)至少一个储能器(2，4)的运行，其中，所述匹配(26)借助至少一个半导体开关(10)尤其双向地进行。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
对于每个储能器(2，4)借助至少两个半导体开关(10)来匹配(26)至少一个储能器(2，4)的运行。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
设置短路识别装置(16)，其中，在识别到短路时，借助所述控制单元(8)来匹配(26)至少一个储能器(2，4)的运行，尤其借助所述控制单元(8)关断至少一个储能器(2，4)。
4.根据以上权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
将至少一个储能器(2，4)的运行匹配于(26)机动车的当前的行驶特性，其中，优选根据所述储能器(2，4)的空载电压与中间回路电压的比较来进行所述匹配(26)。
5.根据以上权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
将至少一个储能器(2，4)的运行匹配于(26)机动车的当前的行驶特性，使得由此发生电流方向的反转，其中，所述电流方向的反转优选导致至少一个储能器(2，4)的充电。
6.一种用于运行电储能器(2，4)的系统(1)，所述系统尤其用于执行根据权利要求1至5中任一项所述的方法，所述系统包括：
第一储能器(2)，
第二储能器(4)，
至少一个分析处理单元(6，6')，所述至少一个分析处理单元用于求取第一储能器和第二储能器(2，4)的当前的充电状态以及所述系统(1)的当前的功率需求，
控制单元(8)，所述控制单元用于基于所求取的充电状态和所述系统(1)的所求取的当前的功率需求来匹配(26)至少一个储能器(2，4)的运行。
7.根据权利要求6所述的系统(1)，
其特征在于，
所述储能器(2，4)以电储能器和/或电化学储能器和/或化学储能器的形式构造。
8.根据权利要求6或7所述的系统(1)，
其特征在于，
所述分析处理单元(6，6')具有探测装置(12)，所述探测装置用于检测如下数据：所述数据用于求取(20，22，24)第一储能器和第二储能器(2，4)的当前的充电状态以及所述系统的当前的功率需求。
9.根据以上权利要求中任一项所述的系统(1)，
其特征在于，
所述控制单元(8)具有至少一个半导体开关(10)，所述至少一个半导体开关用于匹配(26)至少一个储能器(2，4)的运行。
10.一种机动车，尤其电动车辆或混合动力车辆，
所述机动车包括根据权利要求6至9中任一项所述的系统(1)。
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