CN114270594A - 用于平衡电池模块的机动车的电池系统、用于运行电池系统的方法和机动车 - Google Patents

用于平衡电池模块的机动车的电池系统、用于运行电池系统的方法和机动车 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于机动车的电池系统(10)，包括：第一电池模块(5)，所述第一电池模块具有第一电压源(V1)、第一电感(L1)、正极(22)和负极(21)；第二电池模块(6)，所述第二电池模块具有第二电压源(V2)、第二电感(L2)、正极(22)和负极(21)；输出电容器(CA)，所述输出电容器具有正的端子(12)和负的端子(11)；用于将所述第一电池模块(5)与所述输出电容器(CA)连接的第一开关单元(50)；以及用于将所述第二电池模块(6)与所述输出电容器(CA)连接的第二开关单元(60)。所述开关单元(50，60)中的每个开关单元分别具有第一开关元件(61)、第二开关元件(62)和第三开关元件(63)，其中，所述第一开关元件(61)的第一连接端与节点(25)连接，所述第一开关元件(61)的第二连接端与所配属的电池模块(5，6)的极(21，22)中的一个极连接，所述第二开关元件(62)的第一连接端与所述节点(25)连接，所述第二开关元件(62)的第二连接端与所述输出电容器(CA)的端子(11，12)中的一个端子连接，所述第三开关元件(63)的第一连接端与所配属的电池模块(5，6)的极(21，22)中的另一极连接并且与所述输出电容器(CA)的端子(11，12)中的另一端子连接，并且所述第三开关元件(63)的第二连接端与所述节点(25)连接。本发明还涉及一种用于运行根据本发明的电池系统(10)的方法，其中，如此操控所述第二开关单元(60)，使得电流(I)流过所述第二电池模块(6)，由此将电能传输至所述第二电池模块(6)的第二电压源(V2)。本发明还涉及一种机动车，所述机动车包括至少一个根据本发明的电池系统(10)，所述电池系统以根据本发明的方法运行。

Description

用于平衡电池模块的机动车的电池系统、用于运行电池系统 的方法和机动车
技术领域
本发明涉及一种用于机动车的电池系统，该电池系统包括：第一电池模块，其具有第一电压源、第一电感、正极和负极；第二电池模块，其具有第二电压源、第二电感、正极和负极；输出电容器，其具有正端子和负端子；第一开关单元，其配属于第一电池模块且用于将第一电池模块与输出电容器电连接；以及第二开关单元，其配属于第二电池模块且用于将第二电池模块与输出电容器电连接。本发明还涉及一种用于运行根据本发明的电池系统的方法以及一种具有相应电池系统的机动车。
背景技术
传统的机动车具有通常包括内燃机的驱动装置。此外，传统的机动车包括用于给机动车的起动器和其他用电器供给电能的电池系统以及用于对电池系统进行充电的发电机。电动汽车具有用于给牵引电机和其他用电器供给电能的电池系统。
传统机动车的通用电池系统包括至少两个电池模块，所述电池模块具有至少一个、优选地具有多个电池单元，所述电池单元例如串联连接。这种电池模块例如具有12V、24V或48V的标称电压。传统机动车的电池系统的输出电压在此对应于并联连接的电池模块的标称电压。电动汽车的通用电池系统也可以具有更高的例如600V的输出电压。
通用电池系统还包括输出电容器，该输出电容器用于缓冲电池系统的输出电压。这种输出电容器与机动车的车载网络电连接并且也称为中间电路电容器。通用电池系统还包括用于将电池模块与输出电容器电连接的至少两个开关单元。借助开关单元，电池模块可以与机动车的车载网络并与输出电容器电连接，以及与车载网络和输出电容器分离。
电池模块的电池单元例如涉及锂离子电池单元。电池模块的电池单元的放电在此不一定均匀地进行。电池单元的电荷以及因此还有电池模块的电荷可以因此彼此偏离，并且电池模块的电压然后不都位于相等的水平。为了运行这种电池系统，电池模块的充电状态必须至少大致相等。因此，各个电池模块的充电状态的均衡定期地进行。这种均衡也称为平衡。
文献EP 2 575 246 A1公开一种具有高压侧和低压侧的直流转换器以及一种借助变压器对高压侧的电容器进行放电的方法。
文献US 2019/058430 A1公开一种设备，该设备具有电动机、两个电压源和多个用于操控电动机的逆变器。
从文献DE 10 2011 110 906 A1和CN 102 39 8507 B中已知一种混合动力总成系统，其包含高压电池和与整流器/逆变器模块耦合的DC耦合器。整流器/逆变器模块与两个扭矩机器电连接并且包括开关装置，该开关装置包括一对功率晶体管。
文献WO 2017/064820 A1公开一种用于产生电能的系统，其包括发电机、频率转换器和能量转换系统。
发明内容
提出一种用于机动车的电池系统。在此，该电池系统包括：第一电池模块，该第一电池模块具有第一电压源、第一电感、正极和负极；第二电池模块，该第二电池模块具有第二电压源、第二电感、正极和负极；输出电容器，该输出电容器具有正端子和负端子；第一开关单元，其配属于第一电池模块且用于将第一电池模块与输出电容器电连接；以及第二开关单元，其配属于第二电池模块且用于将第二电池模块与输出电容器电连接。
所述电池模块分别包括多个电池单元，所述多个电池单元在电池模块内既可以串联地彼此连接又可以并联地彼此连接。电池单元优选地实施为锂离子电池单元。电池单元模拟(nachbilden)电池单元电压源。电池模块内的电导线具有电感。电池模块的电池单元的电池单元电压源分别形成相应电池模块的电压源。电池模块的电导线的电感分别形成相应电池模块的电感。可选地，电池模块附加地可以具有带有附加电感的线圈。
所述输出电容器例如涉及中间电路电容器。中间电路电容器能够与机动车的车载网络电连接并且用于缓冲电池系统的输出电压。作为中间电路电容器的替代或附加，电池模块附加地可以具有另一电容器。
根据本发明，开关单元中的每个开关单元分别具有第一开关元件、第二开关元件和第三开关元件。开关元件分别具有三个连接端，其中，在第一连接端与第二连接端之间形成开关段(Schaltstrecke)，该开关段能够借助第三连接端来操控。优选地，开关单元相同地构建，并且以相同的方式与分别所配属的电池模块以及与输出电容器连接。
在此，第一开关元件的第一连接端与节点连接，并且第一开关元件的第二连接端与所配属的电池模块的极中的一个极连接。第二开关元件的第一连接端与节点连接，并且第二开关元件的第二连接端与输出电容器的端子中的一个端子连接。第三开关元件的第一连接端与所配属的电池模块的极中的另一极连接并与输出电容器的端子中的另一端子连接，并且第三开关元件的第二连接端与节点连接。
例如，第一开关元件的第二连接端与所配属的电池模块的正极连接，并且第二开关元件的第二连接端与输出电容器的正端子连接。第三开关元件的第一连接端然后与所配属的电池模块的负极连接并与输出电容器的负端子连接。电池模块的负极在此与输出电容器的负端子固定连接。
借助所配属的开关单元，两个电池模块中的每个电池模块都可以与机动车的车载网络并与输出电容器电连接，以及与车载网络和输出电容器分离。如果第一开关元件和第二开关元件闭合并且第三开关元件断开，则相应的电池模块与车载网络和输出电容器连接。如果两个电池模块与车载网络并与输出电容器连接，则所述两个电池模块是并联连接的。电池系统也可以包括超过两个电池模块，所述电池模块分别具有所配属的开关单元。
根据本发明的优选构型，开关单元的第一开关元件、第二开关元件和第三开关元件分别构造为场效应晶体管并且分别具有源极连接端、漏极连接端和栅极连接端。开关元件以这样的方式连接，使得分别地第一连接端是源极连接端、第二连接端是漏极连接端并且第三连接端是栅极连接端。例如，开关元件涉及MOSFET、尤其涉及增强型的n沟道MOSFET。
优选地，所述两个开关单元的第一开关元件、第二开关元件和第三开关元件分别具有开关段和与所述开关段并联连接的反向二极管，所述反向二极管也称为体二极管。
还提出一种用于运行根据本发明的电池系统的方法。在此，如此操控第二开关单元，使得电流流过第二电池模块，由此将电能传输至第二电池模块的第二电压源。在此，电流尤其流过第二开关单元、第二电感和第二电压源。
通过将电能传输至第二电池模块的第二电压源进行第二电池模块的电池单元的充电。因此，第二电池模块的充电状态增加，并且第二电池模块的第二电压源的电压变得更大。如果第二电池模块的充电状态低于第一电池模块的充电状态，则通过根据本发明的方法进行充电状态的均衡，即两个电池模块的平衡。
优选地，传输至第二电池模块的第二电压源的电能从第一电池模块和/或输出电容器吸收(entnehmen)并且通过所述电流传输至第二电池模块的第二电压源。
如果从第一电池模块吸收传输至第二电池模块的第二电压源的电能，则第一电池模块的充电状态同时降低。由此进一步加速充电状态的均衡、即两个电池模块的平衡。
优选地，在多个彼此相继的阶段中操控第二开关单元。在此，以这样的方式操控第二开关单元，使得在第一阶段期间将电能从第一电池模块传输至第二电池模块的第二电感，并且在第二阶段期间将电能从第二电池模块的第二电感传输至第二电池模块的第二电压源。
优选地，以这样的方式操控第二开关单元，使得在第一阶段期间第二开关单元的第一开关元件闭合、第二开关单元的第二开关元件闭合并且第二开关单元的第三开关元件断开。在第一阶段期间，电流流过第一开关元件、第二开关元件、第二电感和第二电压源。
优选地，还以这样的方式操控第二开关单元，使得在第二阶段期间，第二开关单元的第一开关元件闭合，第二开关单元的第二开关元件断开并且第二开关单元的第三开关元件闭合。在第二阶段期间，电流流过第一开关元件、第三开关元件、第二电感和第二电压源。
优选地，还以这样的方式操控第二开关单元，使得第一阶段和第二阶段循环地重复。第一阶段和第二阶段优选地以相对高的频率重复，例如20kHz。
还提出一种机动车，其包括至少一个根据本发明的电池系统，该电池系统以根据本发明的方法来运行。
本发明的优点
借助根据本发明的方法，可以在根据本发明的用于机动车的电池系统中相对简单地并且在相对短的时间内均衡电池模块的充电状态，即执行平衡。在此，尤其可以将能量以及因此还有电荷从具有较高充电状态的电池模块传输至具有较低充电状态的电池模块。在此，通过相应地操控第二开关单元的开关元件，可以以相对简单的方式限制流过第二电池模块的电流。
借助根据本发明的方法，根据本发明的电池系统可以以类似于DC/DC转换器或降压转换器的方式运行。在此过程期间，尤其将电能从第一电压源传输至内部电感并且进一步传输至第二电压源。在此，第二电压源的电压始终保持小于或等于第一电压源的电压。
附图说明
基于附图和以下描述更详细地阐述本发明的实施例。附图示出：
图1示出电池系统的示意图，
图2示出在该方法的第一阶段期间电池系统的示意图，并且
图3示出在该方法的第二阶段期间电池系统的示意图。
具体实施方式
在本发明的实施方式的以下描述中，相同或相似的元件以相同的附图标记表示，其中，在个别情况下省略对这些元件的重复描述。附图仅示意性地表示本发明的主题。
图1示出用于机动车的电池系统10的示意图。电池系统10包括第一电池模块5、第二电池模块6、输出电容器CA、配属于第一电池模块5的第一开关单元50和配属于第二电池模块6的第二开关单元60。第一开关单元50用于将第一电池模块5与输出电容器CA电连接。第二开关单元60用于将第二电池模块6与输出电容器CA电连接。
电池模块5、6分别包括多个在此未示出的电池单元，所述电池单元在相应的电池模块5、6内不仅可以串联地彼此连接而且可以并联地彼此连接。电池单元中的每个电池单元模拟电池单元电压源。电池单元的电池单元电压源分别形成相应电池模块5、6的电压源V1、V2。电池模块5、6的电导线的电感形成电感L1、L2。可选地，可以附加地设置具有附加电感的线圈。在这种情况下，电导线的电感与线圈的电感共同形成电感L1、L2。
第一电池模块5因此具有第一电压源V1和第一电感L1。第一电池模块5还具有正极22和负极21。在空载中，由第一电压源V1提供的电压施加在正极22与负极21之间。
第二电池模块6因此具有第二电压源V2和第二电感L2。第二电池模块6还具有正极22和负极21。在空载中，由第二电压源V2提供的电压施加在正极22与负极21之间。
输出电容器CA具有正端子12和负端子11。输出电容器CA例如涉及中间电路电容器，该中间电路电容器与机动车的车载网络电连接。电池模块5、6可以具有其他电容器，所述其他电容器然后与中间电路电容器一起形成输出电容器CA。
在当前情况下，第一开关单元50和第二开关单元60相同地构建。开关单元50、60分别具有第一开关元件61、第二开关元件62和第三开关元件63。开关元件61、62、63分别具有三个连接端，其中，在第一连接端与第二连接端之间形成开关段，所述开关段能够借助第三连接端来操控。此外，开关单元50、60分别具有内部节点25。
在当前情况下，第一开关元件61、第二开关元件62和第三开关元件63构造为场效应晶体管。开关元件61、62、63分别具有源极连接端、漏极连接端和栅极连接端。开关元件61、62、63如此连接，使得分别地第一连接端是源极连接端、第二连接端是漏极连接端并且第三连接端是栅极连接端。
在当前情况下，开关元件61、62、63涉及增强型的n沟道MOSFET。开关元件61、62、63分别具有开关段以及与该开关段并联连接的反向二极管。反向二极管——其也称为体二极管(Body-Diode)——由于其内部结构而出现在每个MOSFET中，并且不是显式构件。
第一开关元件61的第一连接端与节点25连接。第一开关元件61的第二连接端与所配属的电池模块5、6的正极22连接。第二开关元件62的第一连接端与节点25连接。第二开关元件62的第二连接端与输出电容器CA的正端子12连接。第三开关元件63的第一连接端与所配属的电池模块5、6的负极21连接并且与输出电容器CA的负端子11连接。第三开关元件63的第二连接端与节点25连接。
图2示出在该方法的第一阶段期间电池系统10的示意图。在第一阶段期间，在第一开关单元50中，第一开关元件61闭合，第二开关元件62闭合，并且第三开关元件63断开。在第一阶段期间，在第二开关单元60中，第一开关元件61闭合，第二开关元件62闭合，并且第三开关元件63断开。
在第一阶段期间，电流I流过第二电压源V2、第二电感L2以及第二开关单元60的第一开关元件61和第二开关元件62。在第一阶段期间，电流I还流过第一电压源V1、第一电感L1以及第一开关单元50的第一开关元件61和第二开关元件62。在此，将电能从第一电压源V1传输至第一电感L1并且至第二电感L2。在此，第一电池模块5的充电状态下降。
在第一阶段结束后，第二开关单元60的第二开关元件62断开，并且第二开关单元60的第三开关元件63闭合。第二阶段开始。第二开关单元60的第一开关元件61在此保持闭合。第一开关单元50的第一开关元件61和第二开关元件62保持闭合，并且第一开关单元50的第三开关元件63保持断开。
图3示出在该方法的第二阶段期间电池系统10的示意图。在第二阶段期间，在第一开关单元50中，第一开关元件61闭合，第二开关元件62闭合，并且第三开关元件63断开。在第二阶段期间，在第二开关单元60中，第一开关元件61闭合，第二开关元件62断开，并且第三开关元件63闭合。
在第二阶段期间，电流I流过第二电压源V2、第二电感L2以及第二开关单元60的第一开关元件61和第三开关元件63。在此，将电能从第二电感L2传输至第二电池模块6的第二电压源V2。在此，第二电池模块6的充电状态增加。
可选地，第二开关单元60的第三开关元件63也可以在第二阶段期间保持断开。如已经提到的那样，第三开关元件63实施为MOSFET并且具有反向二极管，该反向二极管也称为体二极管。第三开关元件63如此布置在第二开关单元60中，使得在第二阶段期间流动的电流I可以流过所述反向二极管。
在第二阶段结束后，第二开关单元60的第二开关元件62闭合，并且第二开关单元60的第三开关元件63断开。另一第一阶段开始。第二开关单元60的第一开关元件61在此保持闭合。第一开关单元50的第一开关元件61和第二开关元件62保持闭合，并且第一开关单元50的第三开关元件63保持断开。
本发明不限于此处所描述的实施例和其中所强调的方面。更确切地说，在通过权利要求书所说明的范围内，可以进行大量在本领域技术人员的处理的范畴内的修改。

Claims (10)

1.一种电池系统(10)，所述电池系统用于机动车，且所述电池系统包括：
第一电池模块(5)，所述第一电池模块具有第一电压源(V1)、第一电感(L1)、正极(22)和负极(21)；
第二电池模块(6)，所述第二电池模块具有第二电压源(V2)、第二电感(L2)、正极(22)和负极(21)；
输出电容器(CA)，所述输出电容器具有正的端子(12)和负的端子(11)；
第一开关单元(50)，所述第一开关单元配属于所述第一电池模块(5)且用于将所述第一电池模块(5)与所述输出电容器(CA)电连接；以及
第二开关单元(60)，所述第二开关单元配属于所述第二电池模块(6)且用于将所述第二电池模块(6)与所述输出电容器(CA)电连接，
其特征在于，
所述开关单元(50，60)中的每个开关单元分别具有第一开关元件(61)、第二开关元件(62)和第三开关元件(63)，
所述第一开关元件(61)的第一连接端与节点(25)连接，
所述第一开关元件(61)的第二连接端与所配属的电池模块(5，6)的极(21，22)中的一个极连接，
所述第二开关元件(62)的第一连接端与所述节点(25)连接，
所述第二开关元件(62)的第二连接端与所述输出电容器(CA)的端子(11，12)中的一个端子连接，
所述第三开关元件(63)的第一连接端与所配属的电池模块(5，6)的极(21，22)中的另一极连接并且与所述输出电容器(CA)的端子(11，12)中的另一端子连接，并且
所述第三开关元件(63)的第二连接端与所述节点(25)连接。
2.根据权利要求1所述的电池系统(10)，其特征在于，所述第一开关元件(61)、所述第二开关元件(62)和所述第三开关元件(63)构造为场效应晶体管，其中，分别地，所述第一连接端是源极连接端，所述第二连接端是漏极连接端，并且所述第三连接端是栅极连接端。
3.根据权利要求2所述的电池系统(10)，其特征在于，所述第一开关元件(61)、所述第二开关元件(62)和所述第三开关元件(63)分别具有开关段和反向二极管，所述反向二极管与所述开关段并联连接。
4.一种用于运行根据前述权利要求中任一项所述的电池系统(10)的方法，其特征在于，如此操控所述第二开关单元(60)，使得电流(I)流过所述第二电池模块(6)，由此将电能传输至所述第二电池模块(6)的第二电压源(V2)。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，从所述第一电池模块(5)和/或所述输出电容器(CA)吸收传输至所述第二电池模块(6)的第二电压源(V2)的电能。
6.根据权利要求4至5中任一项所述的方法，其特征在于，如此操控所述第二开关单元(60)，使得在第一阶段期间将电能从所述第一电池模块(5)传输至所述第二电池模块(6)的第二电感(L2)，并且
在第二阶段期间将电能从所述第二电池模块(6)的第二电感(L2)传输至所述第二电池模块(6)的第二电压源(V2)。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的方法，其特征在于，如此操控所述第二开关单元(60)，使得在第一阶段期间所述第一开关元件(61)闭合，所述第二开关元件(62)闭合，并且所述第三开关元件(63)断开。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，如此操控所述第二开关单元(60)，使得在第二阶段期间所述第一开关元件(61)闭合，所述第二开关元件(62)断开，并且所述第三开关元件(63)闭合。
9.根据权利要求7至8中任一项所述的方法，其特征在于，如此操控所述第二开关单元(60)，使得循环地重复所述第一阶段和所述第二阶段。
10.一种机动车，所述机动车包括至少一个根据权利要求1至3中任一项所述的电池系统(10)，所述电池系统以根据权利要求4至9中任一项所述的方法运行。
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