CN111114387A - 均衡多个能并联接通的电化学蓄能器的充电状态的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于利用至少一个电机和至少一个直流电压变换器来均衡能电驱动的车辆的多个能并联接通的电化学蓄能器的充电状态的方法。

Description

均衡多个能并联接通的电化学蓄能器的充电状态的方法
技术领域
本发明从一种用于利用至少一个电机和至少一个直流电压变换器来均衡（Angleichen）能电驱动的车辆的多个能并联接通的电化学蓄能器的充电状态的方法出发，其中，第一组电化学蓄能器与所述直流电压变换器的第一接头电连接以及第二组电化学蓄能器与所述直流电压变换器的第二接头电连接，本发明还从一种电化学蓄能系统以及根据独立权利要求的前序部分所述的方法的和电化学电池组系统的应用出发。
背景技术
在电池组电力运行的机动车辆中，电池组包通常如此构造，使得其由串联接线的多个电池组模块组成，所述多个电池组模块又由电池组电池构成。在小型的电动车辆或电动代步车中，运行电压通常在48伏和60伏之间的低压范围内，并且电池组包包括多个并联接线的电池组模块。电池组模块在此固定地相互连接并且仅仅能够共同地放电和充电。在当今的电驱动机动车辆中，电池组模块固定地相互连接。因此，不能够实现例如在家用电网上对各个电池组模块充电。
对于驾驶员来说应该可能的是，取出位于电池组复合结构（Batterieverbund）中预给定位置上的电池组模块。根据现有技术的电子电路不能够将所有电池组模块如此相互连接，使得它们可以从车辆启动开始就提供最大可能的功率。此外，不同充电状态的和不同电压的并联接线的电池组模块的简单互连可能导致高的补偿电流（Ausgleichsstrom），这会损坏电池组电池。
出版文献JP 2014/147197 A1公开了一种设备，用于抑制电池组的劣化、长时间保持车辆功率并且减少在电动车中的随着电池组更换而出现的对于用户的成本负担。
出版文献US 2010/181829公开了如下电变换器，所述电变换器被这样配置，使得所述电变换器在正常运行中工作，以便将施加到二次电池组上的电功率双向变换为直流电压。在允许对二次电池组充电的预先确定模式中，变换器中的至少一个不执行开关操作以便避免在给二次电池组充电时的开关损耗。可以减少在对二次电池组充电时对变换器造成的电功率损失并且可以改善充电效率。
发明内容
本发明的任务是，进一步改进现有技术。该任务通过独立权利要求的特征来解决。
本发明的优点
与此相对地，具有独立权利要求的特征性特征的根据本发明的行为方式（Vorgehensweise）有利地具有以下步骤：
a）确定（Ermitteln）电机的运行方式（Betriebsart）；
b）确定第一组电化学蓄能器的第一充电状态；
c）确定第二组电化学蓄能器的第二充电状态；
d1）当以第一运行方式、尤其在停止状态下运行所述电机时执行以下步骤：
d1.a）当所述第一充电状态大于所述第二充电状态时，将所述直流电压变换器作为降压转换器来运行，由此，将能量从所述第一组传输到所述第二组中；或者
d2）当以第二运行方式、尤其电动机运行来运行所述电机时执行以下步骤：
d2.a）当所述电机的功率要求大于通过所述第二组能提供的功率并且所述第一充电状态大于所述第二充电状态时，将所述直流电压变换器作为降压转换器来运行，由此从所述第一组和所述第二组给所述电机馈电（speisen），并且所述第一充电状态相比所述第二充电状态更强烈地减小并且与所述第二充电状态相均衡；或者
d2.b）当电机的功率要求基本上相应于通过第一组能提供的功率并且第一充电状态大于第二充电状态时，将直流电压变换器作为降压转换器运行，由此首先从第一组给所述电机馈电，并且使所述第一充电状态有针对性地与第二充电状态相均衡；或者
d2.c）当所述电机的功率要求小于所述第一组的能提供的功率并且所述第一充电状态大于所述第二充电状态时，将所述直流电压变换器作为降压转换器以最大功率（mitmaximaler Leistung）来运行，由此，首先从所述第一组给所述电机和所述第二组馈电并且使所述第一充电状态有针对性地与所述第二充电状态相均衡；或者
d3）当以第三运行方式、尤其发电机运行来运行所述电机时执行以下步骤：
d3.a）当所述第一充电状态大于所述第二充电状态时，将所述直流电压变换器作为降压转换器来运行，由此，从所述电机给所述第二组馈电，或者
d3.b）当所述第一充电状态小于所述第二充电状态时，将所述直流电压变换器作为升压转换器来运行，由此，从所述电机给所述第一组馈电，或者
d3.c）当所述第一充电状态基本上相应于所述第二充电状态时，接通（Durchschalten）所述直流电压变换器，由此，从所述电机给所述第一组和所述第二组馈电。
另外的有利的实施方式是从属权利要求的主题。
产生声学的、光学的和/或触觉的信号，该信号包括电化学蓄能器的当前充电状态。由此，有利地，可以将电化学蓄能器的当前充电状态通知给车辆的驾驶员。
借助所述第一组的所测量的电压确定所述第一组电化学蓄能器的第一充电状态，和/或，借助所述第二组的所测量的电压确定所述第二组电化学蓄能器的第二充电状态。由此，可以借助现有的传感器确定充电状态，由此不需要附加的结构空间。
根据本发明的电化学蓄能系统包括多个能并联接通的电化学蓄能器以及用于执行根据本发明的方法的控制设备，其中，各个电化学蓄能器是彼此独立地能更换的（auswechselbar），并且，第一组电化学蓄能器借助直流电压变换器与第二组电化学蓄能器能电气并联地接线。
由此，例如相对于其余电化学蓄能器处于不同充电状态（SOC）的电化学蓄能器可以被联接（zusammenschalten）并且提供所要求的功率。此外，电化学蓄能器通过到多个电化学蓄能器上的电流分配（Stromaufteilung）而不会快速变热，这又导致更长的运行持续时间。由此，可以实现电动车辆的更大的行程范围（Reichweite）。
各个电化学蓄能器彼此独立地能接入（zuschaltbar）相应的第一组或第二组。由此，在电化学蓄能器的故障情况下，可以将所述电化学蓄能器从其余的电路断开。此外，电化学蓄能系统适合于电化学蓄能器的旋转式安装（Einbau）、尤其适合于具有不同老化级别（Alterungsstufe）的电化学蓄能器。
直流电压变换器是降压和升压变换器、尤其是双向的降压和升压变换器。由此，可以使电化学蓄能系统容易地适配于具有不同数目的电化学蓄能器的不同结构变型。
电化学蓄能系统能够与用于操控电机的换流器（Inverter）电连接。
有利地，根据本发明的电化学电池组系统和/或根据本发明的方法针对电动车辆、混合动力车辆、插电式混合动力车辆、飞机、电动助力车或电动自行车、电驱动的作工机械、针对用于电信或数据处理的便携式装置、针对电动手持式工具或电动厨房多用机得以应用，以及在用于存储尤其可再生获取的电能的固定（stationär）存储器中得以应用。
附图说明
在附图中示出本发明的实施例，并且在以下描述中更详细地予以阐述。
根据本发明的主题的另外的优点和有利的构型通过附图阐明并且在下面描述中予以阐述。在此应注意，附图仅仅具有描述性特征而无意于以任何形式限制本发明。此外，如果没有从上下文中明确得出相反内容，则以下描述的特征可以单独地或任何组合地构成本发明的主题。
图1示出根据本发明的电化学蓄能系统的一种实施方式的示意图；和
图2示出用于均衡充电状态的根据本发明的方法的一种实施方式的示意图，
图3示出充电状态的变化过程的第一示意图；
图4示出充电状态的变化过程的第二示意图。
具体实施方式
在所有附图中，相同的附图标记表示相同的设备部件。
图1示出根据本发明的电化学蓄能系统的一种实施方式的示意图。根据本发明的电化学蓄能系统100包括第一组101电化学蓄能器103（1）、103（2）和第二组102电化学蓄能器105（1）、105（2）、105（3）、105（4）以及直流电压变换器106。例如在由12个锂离子电池组成的串联电路的情况下，电化学蓄能器103（1）、103（2）、105（1）、105（2）、105（3）、105（4）具有例如50.4伏的最大模块电压。
第一组101电化学蓄能器103（1）、103（2）与直流电压变换器106的第一接头107电连接，并且，具有电化学蓄能器105（1）、105（2）、105（3）、105（4）的第二组102与直流电压变换器106的第二接头108电连接。
能量传输取决于与第一组101相比于第二组而言的能量过剩、直流电压变换器的功率以及电化学蓄能器103（1）、103（2）、105（1）、105（2）、105（3）、105（4）关于充电和放电过程的导电性能（“C速率”）。直流电压变换器是例如双向的降压和升压变换器（“Buck-Boost-Converter”），以便其能够独立于第一组101的第一电压水平U1和第二组102的第二电压水平U2地在两个方向上传输能量。
各个电化学蓄能器103（1）、103（2）、105（1）、105（2）、105（3）、105（4）可以相互独立地更换，例如以便更换被放电的或有缺陷的电化学蓄能器103（1）、103（2）、105（1）、105（2）、105（3）、105（4）。通过更换电化学蓄能系统100的各个电化学蓄能器103（1）、103（2）、105（1）、105（2）、105（3）、105（4），可以对它们分开地充电。由此，这些电化学蓄能器103（1）、103（2）、105（1）、105（2）、105（3）、105（4）与留在车辆中并且没有已经被充电并且由于补偿电流大而不允许被简单地并联接通的电化学蓄能器相比具有更高的充电状态。
第一组101的电化学蓄能器103（1）、103（2）和第二组102的电化学蓄能器105（1）、105（2）、105（3）、105（4）并联电接通。
第二组102与用于驱动电机110的换流器109电连接。
图2示出用于均衡充电状态的根据本发明的方法的一种实施方式的示意图。
在步骤200中，确定电机110的运行方式。
在步骤210中，例如通过借助至少一个电压传感器测量第一组101的电压来确定第一组101电化学蓄能器103（1）、103（2）的第一充电状态SOC1。
在步骤220中，例如通过借助至少一个电压传感器测量第二组102的电压来确定第二组102电化学蓄能器103（1）、103（2）、105（1）、105（2）、105（3）、105（4）的第二充电状态SOC2。
如果在步骤230中确定电机110的第一运行方式240，则在步骤241中检查：第一充电状态SOC1是否大于第二充电状态SOC2。
根据本发明的方法不限于实施方式的所示顺序。相反，可以以任意顺序重复地、时间上相继地和/或同时地进行步骤200至220。
如果满足条件SOC1>SOC2，那么在步骤242中将直流电压变换器作为降压转换器来运行，并且该方法在步骤200中继续进行。
如果在步骤230中确定电机110的第二运行方式250，则在步骤258中确定电机110的功率要求PEM、通过第一组101能提供的功率P1以及通过第二组102能提供的功率P2。
如果所确定的功率要求PEM大于通过第二组102能提供的功率P2，则在步骤251中检查：第一充电状态SOC1是否大于第二充电状态SOC2。如果满足条件SOC1>SOC2，那么在步骤252中将直流电压变换器106作为降压转换器来运行，由此，从第一组101和第二组102给电机110馈电。
如果所确定的功率要求PEM基本上相应于通过第一组101能提供的功率P1，则在步骤253中检查：第一充电状态SOC1是否大于第二充电状态SOC2。如果满足条件SOC1>SOC2，那么在步骤254中将直流电压变换器106作为降压转换器来运行，由此，首先从第一组101给电机馈电并且有针对性地使第一充电状态SOC1与第二充电状态SOC2相均衡。
如果电机PEM的功率要求小于第一组的能提供的功率P1，则在步骤255中检查：第一充电状态SOC1是否大于第二充电状态SOC2。如果满足条件SOC1＞SOC2，那么在步骤256中将直流电压变换器106作为降压转换器以最大功率来运行，由此，首先从第一组101给电机110和第二组102馈电并且有针对性地使第一充电状态SOC1与第二充电状态SOC2相均衡。
如果在步骤230中确定电机110的第三运行方式260，则当在步骤261中第一充电状态SOC1大于第二充电状态SOC2时，将直流电压变换器106作为降压转换器来运行，由此从电机110给第二组102馈电；或者当第一充电状态SOC1小于第二充电状态SOC2时，在步骤264中将直流电压变换器106作为升压转换器来运行，由此从电机110给第一组101馈电；或者当在步骤264中所述第一充电状态SOC1基本上相应于所述第二充电状态SOC2时，接通直流电压变换器106，由此，从所述电机110给所述第一组101和所述第二组102馈电。所述方法在步骤200中继续进行。
图3示出充电状态的变化过程的第一示意图。在时间点t0，第一组301电化学蓄能器具有第一充电状态SOC1，第二组302电化学蓄能器具有第二充电状态SOC2。
在时间点t1和t1'之间，例如，当电机110在第二运行方式中作为电动机运行时，电机110的功率要求PEM相应于通过第一组101能提供的功率P1。将直流电压变换器106作为降压转换器来运行，由此从第一组101给电机110馈电，并且第一组101的第一充电状态SOC1减小，第二组102的第二充电状态SOC2保持基本恒定。
在时间点t1'，电机110的功率要求PEM大于通过第一组101和第二组102能提供的功率。将直流电压变换器106作为降压转换器来运行，由此，从第一组101和第二组102给电机101馈电并且第一充电状态SOC1和第二充电状态SOC2减小，其中，根据直流电压变换器106的功率流，充电状态SOC1相比第二充电状态SOC2更强烈地减小并且它们因此有针对性地被均衡。
在时间点t2'，第一充电状态SOC1基本上等于第二充电状态SOC2。现在，断开直流电压变换器106，从而从第一组101和第二组102给电机馈电并且充电状态SOC1、SOC2减小，直至时间点t4，其中在该时间点t4达到最小充电状态SOC_Min。
图4示出充电状态的变化过程的第二示意图。第一组401电化学蓄能器具有第一充电状态SOC1，第二组402电化学蓄能器具有第二充电状态SOC2。在时间点t0和t2之间，例如，当电机110在第二运行方式中作为电动机运行时，电机110的功率要求PEM小于通过第一组101能提供的功率P1。将直流电压变换器106作为降压转换器来运行，由此从第一组101给电机110馈电并且第一组101的第一充电状态SOC1减小，而第二组102的第二充电状态SOC2增大。
从时间点t2起，示出在电机101的不同功率要求PEM情况下的充电状态的变化过程。
如果电机的功率要求PEM小于通过第一组101能提供的功率P1时，将直流电压变换器106作为降压转换器以最大功率来运行，由此，第一充电状态SOC1减小而第二充电状态SOC2增大。在时间点440，第一充电状态SOC1基本上相应于充电状态SOC2。断开直流电压变换器，充电状态SOC1和SOC2如变化过程430中所示那样减小。
如果电机的功率要求PEM基本上相应于第一组101的能提供的功率P1，则将直流电压变换器106作为降压转换器来运行，由此，第一充电状态SOC1减小而第二充电状态SOC2基本保持不变。在时间点441，第一充电状态SOC1基本上相应于充电状态SOC2。断开直流电压变换器，充电状态SOC1和SOC2如变化过程431中所示那样减小。
如果电机的功率要求PEM大于第二组102的能提供的功率P2，则将直流电压变换器106作为降压转换器来运行，由此，第一充电状态SOC1比第二充电状态SOC2更强烈地减小。在时间点442，第一充电状态SOC1基本上相应于充电状态SOC2。断开直流电压变换器，充电状态SOC1和SOC2如变化过程432中所示那样减小。

Claims (8)

1.一种用于利用至少一个电机（110）和至少一个直流电压变换器（106）来均衡能电驱动的车辆的多个能并联接通的电化学蓄能器（103（1），103（2），105（1），105（2），105（3），105（4））的充电状态的方法，其中，第一组（101）电化学蓄能器（103（1），103（2））与所述直流电压变换器（106）的第一接头（107）电连接以及第二组（102）电化学蓄能器（105（1），105（2），105（3），105（4））与所述直流电压变换器（106）的第二接头（108）电连接，所述方法包括以下步骤：
a）（200）确定所述电机（110）的运行方式；
b）（210）确定所述第一组（101）电化学蓄能器（103（1），103（2））的第一充电状态（SOC1）；
c）（220）确定第二组（102）电化学蓄能器（105（1），105（2），105（3），105（4））的第二充电状态（SOC2）；
d1）（240）当以第一运行方式、尤其在停止状态下运行所述电机（110）时执行以下步骤：
d1.a）（242）当所述第一充电状态（SOC1）大于所述第二充电状态（SOC2）时（241），将所述直流电压变换器（106）作为降压转换器来运行，由此，将能量从所述第一组（101）传输到所述第二组（102）中；或者
d2）（250）当以第二运行方式、尤其电动机运行来运行所述电机（110）时执行以下步骤：
d2.a）（252）当所述电机（110）的功率要求（PEM）大于通过所述第二组（102）能提供的功率（P2）并且所述第一充电状态（SOC1）大于所述第二充电状态（SOC2）时（251），将所述直流电压变换器（106）作为降压转换器来运行，由此从所述第一组（101）和所述第二组（102）给所述电机（101）馈电，并且所述第一充电状态（SOC1）相比所述第二充电状态（SOC2）更强烈地减小并且与所述第二充电状态相均衡；或者
d2.b）（254）当所述电机（110）的功率要求（PEM）基本上相应于通过所述第一组（101）能提供的功率（P1）并且所述第一充电状态（SOC1）大于所述第二充电状态（SOC2）时（253），将所述直流电压变换器（106）作为降压转换器运行，由此，首先从所述第一组（101）给所述电机（110）馈电并且使所述第一充电状态（SOC1）有针对性地与所述第二充电状态（SOC2）相均衡；或者
d2.c）（256）当所述电机（110）的功率要求（PEM）小于所述第一组（110）的能提供的功率（P1）并且所述第一充电状态（SOC1）大于所述第二充电状态（SOC2）时（255），将所述直流电压变换器（106）作为降压转换器以最大功率来运行，由此，首先从所述第一组（101）给所述电机（110）和所述第二组（102）馈电并且使所述第一充电状态（SOC1）有针对性地与所述第二充电状态（SOC2）相均衡；或者
d3）（260）当以第三运行方式、尤其发电机运行来运行所述电机（110）时执行以下步骤：
d3.a）（262）当所述第一充电状态（SOC1）大于所述第二充电状态（SOC2）时（261），将所述直流电压变换器（106）作为降压转换器来运行，由此，从所述电机（110）给所述第二组（102）馈电，或者
d3.b）（264）当所述第一充电状态（SOC1）小于所述第二充电状态（SOC2）时，将所述直流电压变换器（106）作为升压转换器来运行，由此，从所述电机（110）给所述第一组（101）馈电，或者
d3.c）（266）当所述第一充电状态（SOC1）基本上相应于所述第二充电状态（SOC2）时，接通所述直流电压变换器（106），由此，从所述电机（110）给所述第一组（101）和所述第二组（102）馈电。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，产生声学的、光学的和/或触觉的信号，所述信号包括所述电化学蓄能器（103（1），103（2），105（1），105（2），105（3），105（4））的当前充电状态（SOC1，SOC2）。
3.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，借助所述第一组（101）的所测量的电压（U1）确定所述第一组（101）电化学蓄能器（103（1），103（2））的所述第一充电状态（SOC1），和/或，借助所述第二组（102）的所测量的电压（U2）确定所述第二组（102）电化学蓄能器（105（1），105（2），105（3），105（4））的所述第二充电状态（SOC2）。
4.一种电化学蓄能系统（100），所述电化学蓄能系统具有多个能并联接通的电化学蓄能器（103（1），103（2），105（1），105（2），105（3），105（4））以及用于执行根据权利要求1至3中任一项所述的方法的控制设备，其中，各个电化学蓄能器（103（1），103（2），105（1），105（2），105（3），105（4））是彼此独立地能更换的，并且第一组（101）电化学蓄能器（103（1），103（2））借助直流电压变换器（106）与第二组（102）电化学蓄能器（105（1），105（2），105（3），105（4）））能电气并联地接线。
5.根据权利要求4所述的电化学蓄能系统（100），其中，各个电化学蓄能器（103（1），103（2），105（1），105（2），105（3），105（4））彼此独立地能接入相应的所述第一组（101）或所述第二组（102）。
6.根据权利要求4或5中任一项所述的电化学蓄能系统（100），其中，所述直流电压变换器（106）是降压和升压变换器。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的电化学蓄能系统（100），其中，所述电化学蓄能系统（100）与用于操控电机（110）的换流器（109）能电连接。
8.一种根据权利要求4至7中任一项所述的电化学电池组系统（100）的和/或根据权利要求1至3中任一项所述的方法的应用，所述电化学电池组系统和/或所述方法针对电动车辆、混合动力车辆、插电式混合动力车辆、飞机、电动助力车或电动自行车、电驱动的作工机械、针对用于电信或数据处理的便携式装置、针对电动手持式工具或电动厨房多用机来被应用，以及在用于存储尤其可再生获取的电能的固定存储器中来被应用。
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