CN112550072B - 用于电驱动车辆的能量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于电驱动车辆的能量系统和用于运行该能量系统的方法。能量系统具有低压充电功能和用于动力电池的主动的负载平衡系统。

Description

用于电驱动车辆的能量系统
技术领域
本发明涉及一种用于电驱动车辆的能量系统和一种用于运行该能量系统的方法。能量系统具有用于动力电池的低压充电功能和主动的负载平衡系统。
背景技术
当今的电动车辆具有高压车载电网，在所述高压车载电网上连接有不同的耗电器，例如充电设备(车载充电器、OBC)、用于将高压转换成低压的直流电压转换器(HV-LVDC/DC转换器)、动力变流器/牵引逆变器(Traktionsumrichter)、加热器、空调压缩机等。当前，电动车辆和混合动力车辆大多时候通过交流电网(AC充电基础设施)充电。然而，研究表明，将来在私人领域以及公共领域中通过直流电压充电方式(DC充电)来充电。
目前，为了给HV电池充电和给12V车载电网供电而安装两个耗费大的HV控制器，其中，OBC仅在车辆停止时是激活的并且HV-LV DC/DC转换器仅在行驶期间是激活的。附加地，在HV能量存储器(HV电池)中当前在各个电池单池之间仅发生被动的负载平衡(passivesCell Balancing(被动的单体平衡))。为了将各个单体保持在相同的电压水平上，单体的多余的能量被转换成热量(损耗功率)并且被排出。
由文献DE 10 2009 033 185 A1已知了一种用于为机动车的电池充电的充电系统和一种充电方法。充电系统包括代替车载充电器的、承担OBC的功能的附加的整流器。第二整流器的集成通过双变流器实现。第二整流器将电网侧的交流电压转换成适合于HV电池的DC充电电压。为了在行驶期间为12V电池充电，需要HV-LV DC/DC转换器。
文献WO 2018 107 065A1涉及一种智能的能量存储器系统，例如用于电动车辆，所述智能的能量存储器系统具有一排能量存储器模块，所述能量存储器模块又具有一排模块单体，所述模块单体各自配备有双向直流电压转换器并且用于单体的电流平衡。
发明内容
在此背景下，本发明的目的在于，提供一种用于电动车辆的能量系统以及一种用于运行该能量系统的方法，该能量系统既不具有车载充电器也不具有HV-LV DC/DC转换器。
根据本发明，该目的通过具有下述特征的设备和具有下述特征的方法来实现。本发明的设计方案和改进方案由下文的可选实施例中得出。
根据本发明的设备在没有OBC和没有HV-LV DC/DC转换器的情况下就完全起作用。由于在未来(在2025年之后)99％的车辆将经由DC充电方式被充电，因此可以取消AC充电器。对于剩余的1％，新的架构提供例如12V的“低压”直流充电。
本发明的主题是一种用于电驱动车辆的能量系统。该能量系统包括动力电路(Traktionskreis)，该动力电路具有至少一个HV能量存储器(HV电池、动力电池)和动力变流器/牵引逆变器(Traktionsinverter)，所述至少一个HV能量存储器包括多个串联连接的存储器单体，所述动力变流器为车辆驱动装置的至少一个电机供给交流电压。
根据本发明，至少一个HV能量存储器的存储器单体中的每个都配设有具有电隔离的双向直流电压转换器，该双向直流电压转换器的输入端与存储器单体的极连接，该双向直流电压转换器的输出端与车辆的低压车载电网连接。在一个实施例中，双向DC/DC转换器被集成到每个电池单体中。由于DC/DC转换器是双向的，因此能量流可以在两个方向上发生。
根据本发明的能量系统能够实现无车载充电器(OBC)和无HV-LV DC/DC转换器的车辆架构。两个被取消的HV控制器的功能性在至少一个HV能量存储器的单体级上借助于具有电隔离的小型双向DC/DC转换器来实现。根据本发明的能量系统对于每个单体利用仅一个双向的DC/DC变换器级就起作用。由此也可以确保在至少一个HV能量存储器的两个任意的单体之间的能量交换，这对于完全的单体平衡是必要的。
HV-LV DC/DC转换器的功能性通过以下方式代替，即，在车辆行驶期间，DC/DC转换器将能量从HV转换到LV，因此为低压车载电网(例如12V车载电网)充电。
车载充电器(OBC)的功能性通过以下方式代替，即，在充电期间，DC/DC转换器将能量从LV转换到HV，因此为动力电池充电。在此，取决于设计方案，充电电压是保护性低电压(U＜60V)、例如12V，其对接触保护和绝缘没有特别的要求。
在能量系统的一个实施方式中，低压车载电网在小于60V的电压下运行，例如在12V的电压下运行。
在一个实施方式中，低压车载电网具有至少一个低压能量存储器(LV电池)。
在一个实施方式中，车辆的低压车载电网具有用于连接低压直流充电设备(低压充电器)的接口。
在一个实施方式中，能量系统的动力电路具有用于连接高压直流充电设备(例如充电站、充电桩或DC充电墙盒)的接口。
在能量系统的一个实施方式中，至少一个HV能量存储器具有在300V至1200V的范围内的输出电压，例如具有400V或800V的输出电压。
本发明的主题也包括一种用于运行根据本发明的能量系统的方法。
在一个实施方式中，该方法包括：通过将低压直流充电设备连接到车辆的低压车载电网上来为至少一个HV能量存储器充电；将来自低压直流充电设备的电能通过低压车载电网和具有电隔离的双向直流电压转换器转移到至少一个HV能量存储器的存储器单体中。
充电运行在车辆停止时进行。HV充电通过低压车载电网实现，该低压车载电网在一个实施方式中是12V车载电网。为了充电，例如可以简单地将12V充电器连接在汽车中的外部启动点上(Fremdstartpunkt)。DC/DC转换器将12V转换成必要的单体充电电压并且为HV能量存储器充电。
该低压直流充电(以保护性低电压进行的充电，也就是说电压<60V、LV充电)为自动化的充电创造了前提条件，这是因为不必满足对绝缘和接触保护的特别的要求。
在另一实施方式中，该方法包括：为车辆的低压车载电网供电；在必要时通过将来自至少一个HV能量存储器的电能通过具有电隔离的双向直流电压转换器转移到车辆的低压车载电网中来为至少一个低压能量存储器充电。
在另一实施方式中，该方法包括：在至少一个HV能量存储器的存储器单体之间进行负载平衡(“aktives Cell Balancing(主动的单体平衡)”)，其中，将来自具有高于所有存储器单体的平均输出电压的输出电压的至少一个存储器单体的电能通过具有电隔离的双向直流电压转换器和车辆的低压车载电网转移到具有低于所有存储器单体的平均输出电压的输出电压的至少一个存储器单体中。
通过主动的单体平衡可以延长单体的使用寿命、提高效率并且识别和支持弱的单体。主动的单体平衡也导致能效的提高，也就是说车辆续驶里程的增加。
根据本发明的能量系统的优点还包括：可以取消车载充电器连同HV控制器；冷却管路、支架和HV电缆布置；还可以取消HV-LV DC/DC转换器，包括冷却管路、支架和HV电缆布置。由此也降低了车辆的总重量，由此增加了车辆的续驶里程。
根据本发明的能量系统可以利用不同输出电压的HV能量存储器来运行。因此，动力电网例如可以在400V或800V的电压下运行。
根据本发明的能量系统的HV能量存储器可以利用低压电源、也就是用小于60V的电压来充电。在这样低的充电电压下，对绝缘以及接触保护没有特别的要求。对人类生命的危险被排除。安全的电压状态(U＜60V)因此甚至能够实现使充电过程的自动化(自动化的LV充电)。
本发明的其它优点和设计方案由说明书和附图中得出。
显而易见的是，上述的和下面还将说明的特征不仅可以以分别给出的组合、而且也可以以其它组合或单独地使用，只要不脱离本发明的范围。
附图说明
根据附图中的实施方式示意性地示出并且参考附图进一步描述本发明。图中示出：
图1示出现有技术的能量系统；
图2示出根据本发明的能量系统的一个实施方式；
图3示出根据本发明的能量系统的一个实施方式的电路图的局部。
具体实施方式
图1示意性地示出根据现有技术的电驱动车辆的能量系统10。动力电路11包括HV能量存储器12和动力变流器(DC/AC转换器)13，该动力变流器为车辆驱动装置的至少一个电机14供给交流电。
车载充电器(AC/DC转换器)15连接到动力电路11上，所述车载充电器能连接到AC电网基础设施20上，以便为HV能量存储器12充电(AC充电)。车载充电器15仅在车辆停止时并且当车载充电器连接到交流电压-电网基础设施20上时是激活的。
此外，HV-LV DC/DC转换器16连接到动力电路11上，该HV-LV DC/DC转换器将HV能量存储器12的高压转换成低压并且与低压车载电网30连接，该低压车载电网例如可以是12V车载电网。通过HV-LV DC/DC转换器16可以为低压车载电网30供给来自动力电路11的电能。HV-LV DC/DC转换器通常仅在行驶期间是激活的，以支持低压车载电网30并且为连接到低压车载电网上的低压能量存储器、例如12V电池充电。
图2示意性地示出根据本发明的能量系统10的一个实施方式。动力电路11包括HV能量存储器12和动力变流器(DC/AC转换器)13，该动力变流器为车辆驱动装置的至少一个电机14供给交流电流。
然而，例如可以是12V车载电网的低压车载电网30直接与HV能量存储器12连接。取消了车载充电器和HV-LV DC/DC转换器。由此对于能量系统需要较少的构件并且节省重量和结构空间。因为取消的单元具有相对高的功率消耗(例如各3.6kW)并且必须在运行中被主动冷却，所以也附加地实现了节能。
图3示意性地示出根据本发明的能量系统10的一个实施方式的电路图的局部，该能量系统包括HV能量存储器12和低压车载电网30。
HV能量存储器包括多个串联连接的单体121、122、123、12i。单体121、122、123、12i中的每个具有各自的单体电压U1、U2、U3、Ui(在图中通过箭头表示)。单体电压U1、U2、U3、Ui相加为HV能量存储器12的输出电压UHV。单体121、122、123、12i中的每个都配设有具有电隔离18的双向DC/DC转换器171、172、173、17i(虚线18表示电隔离，双箭头表示双向性)。双向DC/DC转换器171、172、173、17i中的每个的输入端与和所配设的对应单体121、122、123、12i的极以导电方式连接。双向DC/DC转换器171、172、173、17i的输出端与低压车载电网30连接并且与连接到低压车载电网上的低压能量存储器31的极连接，该低压能量存储器具有输出电压ULV。
为了给HV能量存储器12充电，在车辆停止时将低压充电设备(未示出)连接到低压车载电网30上。例如，为此可以简单地将低压充电设备(例如12V充电设备)连接在车辆中的外部启动点上。双向DC/DC转换器171、172、173、17i将低压转换成所需的单体充电电压，并且为各个单体121、122、123、12i充电，因此也为HV能量存储器12充电。
在车辆的行驶运行中，多个连接到低压车载电网30上的耗电器、例如控制设备是激活的。这导致在低压车载电网30中的高的能量需求。为了支持低压车载电网30并且为低压能量存储器31充电，来自HV能量存储器12的电能通过双向DC/DC转换器171、172、173、17i馈入到低压车载电网30中。
附加地，根据本发明的能量系统10能够实现在每次行驶之前或之后的主动的单体平衡。在此，所有单体121、122、123、12i的电压水平被平衡，其方式是，将电能从具有较高电压水平的单体转移到具有较低电压水平的单体中。例如，如果单体121的输出电压高于所有单体121、122、123、12i的平均输出电压，而单体123的输出电压低于所有单体121、122、123、12i的平均输出电压，则来自单体121的电能可以通过双向DC/DC转换器171、低压车载网络30和双向DC/DC转换器173被转移到电池单体123中并且因此对电池单体123充电。
在该被动的单体平衡中，具有高输出电压的单体的电压水平——由于将电能转换为损耗功率并且由此不再可供用于行驶运行——而被降低，与被动的单体平衡不同，在主动的单体平衡中，包含在HV能量存储器12中的电能在很大程度上保持不变并且可以被用于行驶运行，这提高了能效并且增加了车辆的续驶里程。
附图标记列表：
10 能量系统
11 动力电路
12 HV能量存储器
121存储器单体
122存储器单体
123存储器单体
124存储器单体
13动力变流器(DC/AC转换器)
14电机
15车载充电器(AC/DC转换器)
16HV-LV DC/DC转换器
171具有电隔离的双向DC/DC转换器
172具有电隔离的双向DC/DC转换器
173具有电隔离的双向DC/DC转换器
17i具有电隔离的双向DC/DC转换器
18 电隔离
20 AC电网基础设施
30 低压车载电网
31 低压能量存储器
U1 单体电压
U2 单体电压
U3 单体电压
Ui 单体电压
UHV HV能量存储器12的输出电压
ULV LV能量存储器31的输出电压

Claims (9)

1.一种用于电驱动车辆的能量系统(10)，所述能量系统包括具有至少一个HV能量存储器(12)和动力变流器(13)的动力电路(11)，所述至少一个HV能量存储器包括多个串联连接的存储器单体(121、122、123、12i)，所述动力变流器为至少一个电机(14)供给交流电压，
其特征在于，
所述至少一个HV能量存储器(12)的存储器单体(121、122、123、12i)中的每个都配设有具有电隔离的双向直流电压转换器(171、172、173、17i)，其中，具有电隔离的双向直流电压转换器(171、172、173、17i)的输入端与存储器单体(121、122、123、12i)的极连接，具有电隔离的双向直流电压转换器(171、172、173、17i)的输出端与车辆的低压车载电网(30)连接，车辆的低压车载电网(30)具有用于连接低压直流充电设备的接口，该接口用于经由所述双向直流电压转换器(171、172、173、17i)利用来自所述低压直流充电设备的电能对所述至少一个HV能量存储器(12)进行充电。
2.根据权利要求1所述的能量系统(10)，其中，车辆的低压车载电网(30)具有至少一个低压能量存储器(31)。
3.根据权利要求1或2所述的能量系统(10)，其中，动力电路(11)具有用于连接高压直流充电设备的接口。
4.根据权利要求1或2所述的能量系统(10)，其中，低压车载电网(30)在小于60V的电压下运行。
5.根据权利要求4所述的能量系统(10)，其中，低压车载电网(30)在12V的电压下运行。
6.根据权利要求1或2所述的能量系统(10)，其中，所述至少一个HV能量存储器(12)具有在300V至1200V的范围内的输出电压。
7.一种用于运行根据权利要求1至6中任一项所述的能量系统(10)的方法，所述方法包括：通过将低压直流充电设备连接到车辆的低压车载电网(30)上来为至少一个HV能量存储器(12)充电；将来自低压直流充电设备的电能通过具有电隔离的双向直流电压转换器(171、172、173、17i)转移到所述至少一个HV能量存储器(12)的存储器单体(121、122、123、12i)中。
8.一种用于运行根据权利要求1至6中任一项所述的能量系统(10)的方法，所述方法包括：为车辆的低压车载电网(30)供电；和，通过将来自至少一个HV能量存储器(12)的电能通过具有电隔离的双向直流电压转换器(171、172、173、17i)转移到车辆的低压车载电网(30)中来为至少一个低压能量存储器(31)充电。
9.一种用于运行根据权利要求1至6中任一项所述的能量系统(10)的方法，所述方法包括：在至少一个HV能量存储器(12)的存储器单体(121、122、123、12i)之间进行负载平衡，其中，将来自具有高于所有存储器单体(121、122、123、12i)的平均输出电压的输出电压的至少一个存储器单体(121、122、123、12i)的电能通过具有电隔离的双向直流电压转换器(171、172、173、17i)和车辆的低压车载电网(30)转移到具有低于所有存储器单体(121、122、123、12i)的平均输出电压的输出电压的至少一个存储器单体(121、122、123、12i)中。
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