CN116846045A - 用于对驱动装置供给能量的系统和运行该系统的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及车辆动力总成领域。本发明涉及一种用于对驱动装置供给能量的系统，其包括：直流母线；非储能电源，其用于通过电化学反应产生电能并选择性耦合到直流母线；第一储能电源，其选择性耦合到直流母线；第二储能电源，其选择性地耦合到直流母线；切换单元，其被配置为根据条件信号切换非储能电源、第一储能电源、第二储能电源以及直流母线之间的电连接状态，以使得在至少由非储能电源给驱动装置供电期间，非储能电源能够与包含第一储能电源和/或第二储能电源的电路部段串联耦合到直流母线，在串联耦合情况下，非储能电源与所串联的电路部段的共同电压输出匹配于直流母线的电压。本发明还涉及一种用于运行该系统的方法和一种车辆。

Description

用于对驱动装置供给能量的系统和运行该系统的方法

技术领域

本发明涉及一种用于对驱动装置供给能量的系统、一种用于运行用于对驱动装置供给能量的系统的方法以及一种相应的车辆。

背景技术

燃料电池作为能够减少温室气体排放的清洁能源被广泛用于电驱动车辆领域。然而，由于燃料电池与驱动电机在电压-功率特性方面的差异，因此燃料电池和电机系统的电压匹配不可避免地存在矛盾。若以燃料电池直接作为电源驱动，则如果直流母线电压较低，电机将不能充分发挥功率输出能力，进而限制整车动力性能。如果母线电压较高，则燃料电池处于低功率区间。这种现象也普遍存在于其他类型的非储能电源上。

为此，通常需要在燃料电池与驱动电机之间引入DC/DC转换器，以对燃料电池的输出电压进行升压并与母线电压相适配。然而，DC/DC转换器体积较大且成本高昂，因此期望从新能源车辆的能量供给系统中尽可能消除或减少采用DC/DC转换器的数量。

在现有技术中，已经尝试通过将特殊配置的蓄电池与燃料电池并联到母线上来消除DC/DC转换器，这虽然能够在高功率需求期间提供一定功率补偿，但同时也要求蓄电池严格遵循燃料电池的电压输出等级，因此极大地限制了系统功率调节范围，灵活性较差。

在这种背景下，期待提供一种改善的混合动力系统拓扑，以通过对不同能量节点的耦合方式变换来满足动态驱动需求，同时克服对DC/DC转换器的依赖性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于对驱动装置供给能量的系统、一种用于运行用于对驱动装置供给能量的系统的方法以及一种相应的车辆，以至少解决现有技术中的部分问题。

根据本发明的第一方面，提供一种用于对驱动装置供给能量的系统，所述系统包括：

直流母线；

非储能电源，其用于通过电化学反应产生电能并选择性地耦合到直流母线；

第一储能电源，其选择性地耦合到直流母线；

第二储能电源，其选择性地耦合到直流母线；

切换单元，其被配置为根据条件信号切换非储能电源、第一储能电源、第二储能电源以及直流母线之间的电连接状态，以使得在至少由非储能电源给驱动装置供电期间，非储能电源能够与包含第一储能电源和/或第二储能电源的电路部段串联耦合到直流母线，其中，在所述串联耦合的情况下，非储能电源与所串联的包含第一储能电源和/或第二储能电源的电路部段的共同电压输出匹配于直流母线的电压。

本发明尤其包括以下技术构思：一方面，非储能电源的端电压通过所串联的储能电源的电压叠加而升压，从而组合输出电压与系统直流母线电压相匹配，模拟了DC/DC转换器的升压功能。另一方面，储能电源不必再受到燃料电池输出电压的严格制约，放宽了动力系统对所采用的储能电源的电压等级要求，扩展了系统功率范围。此外，通过设置多个储能电源，提供了交替充放电的可能性，为持续形成串联耦合以及更合理的功率分配奠定可靠基础。

可选地，所述条件信号包括：

驱动装置的和/或直流母线上的功率需求信息；以及

第一储能电源和/或第二储能电源的状态信息。

由此，实现以下技术优点：通过控制切换单元来为不同应用场景选择最佳电路拓扑，使能量供给系统的整体性能动态适配于变化的环境条件。

可选地，所述切换单元被配置为使得在非储能电源与包含第一储能电源和/或第二储能电源的电路部段串联耦合到直流母线的情况下，所述电路部段中包含的第一储能电源和/或第二储能电源的荷电状态满足第一预定义要求。在此，满足第一预定义要求例如包括高于下极限值。

由此，实现以下技术优点：通过这种切换配置，能确保在通过串联耦合提供驱动功率时，参与串联的储能电源能够工作在理想荷电状态下，从而不仅实现了良好稳定的电压输出，而且可以有效防止储能电源的过放，延长了储能电源的使用寿命。

可选地，切换单元被配置为能够在第一状态与第二状态之间来回切换，在第一状态中非储能电源与第一储能电源串联耦合到直流母线，在第二状态中非储能电源与第二储能电源串联耦合到直流母线，其中，当第一储能电源的荷电状态不满足第一预定义要求时切换单元从第一状态切换到第二状态，当第二储能电源的荷电状态不满足第一预定义要求时切换单元从第二状态切换到第一状态。

由此，实现以下技术优点：利用上述自动替换机制，能保证由串联耦合提供的驱动能量不会由于储能电源的电量过低而间断，从而提高了系统安全性。

可选地，在第一状态中第二储能电源被充电，在第二状态中第一储能电源被充电，其中，切换单元还被配置为使得第一储能电源和/或第二储能电源在被充电时荷电状态满足第二预定义要求。在此，满足第二预定义要求例如包括低于上极限值。在已经定义了下极限值的情况下，上极限值大于下极限值。

由此，实现以下技术优点：由此，对至少一个储能电源的回充能够与驱动装置的供电同步进行，从而确保始终存在至少一个储能电源的荷电状态允许其参与到串联耦合中。通过定义第二预定义要求，使得储能电源不会由于被过充而损坏，提高了安全性。

可选地，切换单元还被配置为在第一储能电源的荷电状态不满足第一预定义要求时切换到如下状态中：由非储能电源单独地、由第二储能电源单独地、和/或由非储能电源与第二储能电源的串联耦合共同地给第一储能电源充电，和/或由驱动装置在能量回收阶段给第一储能电源充电。

由此，实现以下技术优点：通过对切换单元的控制提供了多种可能的充电方式，使拓扑结构与充电需求相适应。不仅能够满足不同充电速率要求，而且也能通过能量回收提高系统经济性。

可选地，切换单元还被配置为在驱动装置的功率需求增大到超过第一水平时切换到如下状态中：

非储能电源、第一储能电源和第二储能电源串联耦合到直流母线，以给驱动装置供电；或者

非储能电源从直流母线断开，并且第一储能电源、第二储能电源单独地或同时地耦合到直流母线，以给驱动装置供电。

由此，实现以下技术优点：已经认识到，燃料电池在较低电压区间更能充分发挥大功率输出能力，因此通过适当增加所串联的储能电源数量，可以在确保母线电压适配的情况下提高整体输出功率能力。此外，也可想到使储能电源充当辅助能量源，用于提供峰值功率，以补充在起步或加速阶段时所述串联耦合的输出功率能力不足。

可选地，切换单元还被配置为在驱动装置的功率需求减小到低于第二水平时切换到如下状态中，第二水平小于第一水平：

在非储能电源与第一储能电源和/或第二储能电源构成的闭合回路中，由非储能电源给第一储能电源和/或第二储能电源充电；或者

第一储能电源、第二储能电源单独地或同时地耦合到直流母线，以由驱动装置在能量回收阶段给第一储能电源和/或第二储能电源进行充电。

由此，实现以下技术优点：在减速滑行或主动制动等运行工况中，非储能电源不输出或小功率输出，此时让储能电源存储富裕能量并在回馈制动时吸收制动能量，能够有利地提高整个系统的能量效率。

可选地，切换单元还被配置为在功率需求处于第三水平时切换到如下状态中，其中，当非储能电源提供第三水平所反映的功率大小时，非储能电源的输出电压恰好处于驱动装置的工作电压范围内：

非储能电源单独地耦合到直流母线，以给驱动装置供电。

由此，实现以下技术优点：当驱动装置的工作点恰好与非储能电源的电压-功率关系适配时，则无需通过补偿措施而进行电压变换，由此使整个系统的效率最大化。

可选地，非储能电源与包含第一储能电源和/或第二储能电源的电路部段串联耦合到直流母线包括：

非储能电源与第一储能电源串联耦合到直流母线；

非储能电源与第二储能电源串联耦合到直流母线；

第一储能电源和第二储能电源的串联电路与非储能电源串联耦合到直流母线；以及

第一储能电源和第二储能电源的并联电路与非储能电源串联耦合到直流母线。

由此，实现以下技术优点：在通过非储能电源与储能电源的串联组合来实现升压功能的基础上，还能够结合储能电源在不同电量下的放电效率、具体荷电状态、驱动需求、工况等多种因素来选择具体的串联耦合形式，以达到最优的系统性能。

可选地，所述非储能电源被构造为燃料电池，所述第一储能电源和第二储能电源被分别构造为蓄电池或超级电容器。

根据本发明的第二方面，提供一种用于运行用于对驱动装置供给能量的系统的方法，所述方法用于借助本发明第一方面所述的系统执行，所述方法包括以下步骤：

S1：获取条件信号；以及

S2：根据条件信号控制切换单元切换非储能电源、第一储能电源、第二储能电源以及直流母线之间的电连接状态，以使得在至少由非储能电源给驱动装置供电期间，非储能电源能够与包含第一储能电源和/或第二储能电源的电路部段串联耦合到直流母线，其中，在所述串联耦合的情况下，非储能电源与所串联的包含第一储能电源和/或第二储能电源的电路部段的共同电压输出匹配于直流母线的电压。

根据本发明的第三方面，提供一种车辆，所述车辆包括驱动装置以及根据本发明的第一方面所述的系统。所述车辆例如是混合动力车辆。

附图说明

下面，通过参看附图更详细地描述本发明，可以更好地理解本发明的原理、特点和优点。附图包括：

图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于对驱动装置供给能量的系统的原理性示意图；

图2示出了一种示例性的储能电源的开路电压随着荷电状态变化的曲线图；

图3示出了非储能电源的输出电压及功率密度随着电流密度变化的曲线图；

图4示出了根据本发明的一个示例性实施例的系统的框图，在该实施例中该系统的切换单元在第一和第二状态之间来回切换；

图5a-5b示出了根据另一示例性实施例的切换单元的可能状态的示意图；

图6示出了根据另一示例性实施例的切换单元的可能状态的示意图；

图7a-7b在驱动装置的功率需求的第一水平下示出了切换单元的可能状态的示意图；

图8a-8c在驱动装置的功率需求的第二水平下示出了切换单元的可能状态的示意图；

图9在驱动装置的功率需求的第三水平下示出了切换单元的可能状态的示意图；以及

图10示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于运行用于对驱动装置供给能量的系统的方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案以及有益的技术效果更加清楚明白，以下将结合附图以及多个示例性实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而不是用于限定本发明的保护范围。

图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于对驱动装置供给能量的系统1的原理性示意图。

如图1所示，系统1例如是混合动力车辆的动力总成系统的一部分，其用于通过直流母线30给车辆的驱动装置42提供运行所需的能量。为此，系统1例如包括：非储能电源11、第一储能电源12、第二储能电源13、直流母线30以及切换单元20。

非储能电源11例如可以构造成燃料电池堆，其用于通过适当的电化学反应产生电能并向高压直流母线30供电。还可能的是，非储能电源11被构造成其他形式的电能发生装置。

第一和第二储能电源12、13例如可分别工作在充电模式和放电模式中，以便在充电模式中存储电能，并在放电模式中输出电能。在此，第一和第二储能电源12、13例如可以构造成蓄电池(例如锂离子电池、镍氢电池或铅蓄电池)、超级电容器等。在该示例中，第一和第二储能电源12、13可以具有相同类型、容量、充放电特性，然而同样可能的是，第一和第二储能电源12、13被构造为不同类型的电源并具有不同参数配置。此外，第一和第二储能电源12、13例如还被选择为使得它们的输出电压能够补偿母线电压与非储能电源11的输出电压之间的最大缺口。

为了允许非储能电源11与包含第一储能电源和/或第二储能电源12、13的电路部段形成串联耦合，还需要切换单元20。在上下文中，“电路部段”理解为包含确定数量的电路元素的一部分电路，在最简单的情况下，电路部段可以直接代表单个电路元素本身，在其他情况下，电路部段还可以代表多个电路元素以及它们之间的电连接关系(例如，由电路元素构成的串联电路、并联电路或它们的组合)。在实际应用场景中，切换单元20例如被连接到电池管理系统、车辆总线和/或多个车载传感器，以便获得直流母线30上的和/或驱动装置42的功率需求信息以及第一和第二储能电源12、13的状态信息。功率需求信息例如包括具体的功率需求数值大小、车辆的行驶工况(上坡、下坡、加速、减速)、车辆的能量回收模式(开启、关闭)。第一和第二储能电源12、13的状态信息例如包括荷电状态(SOC)、容量保持率、使用寿命情况以及放电效率。通过了解这些信息，切换单元20可以在多个不同状态之间切换，以实现非储能电源11、第一储能电源12、第二储能电源13以及直流母线30之间的不同电连接关系。具体地，切换单元20例如包括半导体开关形式的多个开关，这些开关能够基于直流母线30上的功率需求信息以及各储能电源12、13的荷电状态而被彼此独立地接通或关断。

此外，还示出了电连接至直流母线30的功率逆变器41(DC/AC转换器)以及驱动电机42。该功率逆变器41用于将直流母线30上的直流电变换为适用于运行驱动电机42的三相交流电。在此，驱动电机42例如可以是交流感应电机、交流永磁电机或交流三相同步电机。值得注意的是，在驱动电机42作为发电机运行期间，来自驱动电机42的交流电能经由功率逆变器重新转换为直流电能，并相应地通过直流母线30馈送给连接在其上的其他辅助用电器43、44或被用于给第一和第二储能电源12、13充电。这一阶段称为驱动装置42的再生制动或能量回收阶段。

除了驱动电机42以外，在图1中还示意性示出了电耦合到直流母线30上的其他电负载，这例如包括空气压缩机43、加热器44等。

图2示出了一种示例性的储能电源的开路电压随着荷电状态变化的曲线图。

在本发明的意义上，荷电状态(SOC：State of Charge)例如可以理解为储能型电池或超级电容器的剩余容量与其完全充电状态下的容量的比值。

可以看出，储能电源的开路电压(OCV：Open Circuit Voltage)会随着所储存电能的多少而发生变化。当储能电源的荷电状态较低(例如低于下极限值L1)时，储能电源的输出电压会随着放电的进行而急剧下降，这可能导致储能电源发生过放而损坏。当储能电源的荷电状态较高(例如高于上极限值L2)时，储能电源的输出电压同样会发生大幅摆动，此时同样可能由于过充而使储能电源的性能受到影响。

因此，结合图1所示的系统1，切换单元20需要被配置为能够采取适当措施来保护第一和第二储能电源12、13，以使它们既不会发生过放电也不会发生过充电，而是保证它们各自的荷电状态保持在由下极限值L1和上极限值L2限定的区间201内。在该区间201内，所采用的储能电源具有高度稳定的输出电压，且其自身特性不会受到损害。

图3示出了非储能电源的输出电压及功率密度随着电流密度变化的曲线图。

在该示例中，分别以实线形式和虚线形式的曲线301、302绘制出燃料电池的堆电压U_Stack和功率密度P_Stack随电流密度J的变化趋势，电压-电流曲线301上的每一点的电压值乘以对应的电流密度J值即可得到功率密度曲线302。此外，还以点划线示例性地标注出驱动装置的正常工作电压范围。

结合燃料电池的电压曲线301和功率密度曲线302可以看出，燃料电池在加功率负载起始阶段，堆电压U_Stack呈急剧下降趋势，此时虽然能够在特定区间内使输出电压与驱动装置的工作电压范围相吻合，但是在该区间内燃料电池所能提供的功率较低，无法满足大功率、高负荷运行工况需求。在一个具体实例中，所采用的驱动电机的工作电压范围例如为400V-600V，燃料电池目前的输出电压只有300V，那么此时就需要引入蓄电池的输出电压来补偿这一缺口。

随着负载增加，电流密度J增大，燃料电池的输出功率增大，电压U_Stack下降变缓。在高于功率密度最大值处的电流密度处，电压和功率密度都相应降低。

因此，结合图1所示系统1，切换单元20还需要被配置为能够使非储能电源(例如燃料电池)11与包含第一储能电源12和/或第二储能电源13的电路部段构成的串联耦合的共同功率输出与驱动装置42的功率需求相适应，并能够根据条件信号来改变电路连接关系，从而实现整个系统的更高效、响应迅速的功率提供。

图4示出了根据本发明的一个示例性实施例的系统的框图，在该实施例中该系统的切换单元在第一和第二状态之间来回切换。

在该示例中，图1所示的直流母线30在此表示为正直流母线31和负直流母线32。图1中的切换单元20在此例如包括四个开关21、22、23、24。在这四个开关21、22、23、24构造成半导体开关(例如MOSFET)的情况下，它们的栅极端子例如连接到切换单元的控制模块(出于简洁目的而未单独示出)，以便能够根据控制信号来单独地接通、闭合或在不同支路之间切换。

在该示例中，还附加地通过向上或向下的箭头表示相应的功率流动方向，其中指向上方的箭头表明功率供给方，指向下方的箭头表示功率消耗方。

非储能电源11、第一储能电源12、第二储能电源13分别经由这些开关21、22、23、24选择性地连接在正、负直流母线31、32之间，以便能够通过直流母线向驱动电机42供电。

第一开关21例如设置在第一储能电源12与非储能电源11之间，以及第一储能电源12与负直流母线32之间，以用于选择性地将第一储能电源12的一端切换到非储能电源11侧或者切换到负直流母线32侧。

第二开关22设置在第二储能电源13与非储能电源11之间，以及第二储能电源13与负直流母线32之间，以用于选择性地将第二储能电源13的一端切换到非储能电源11侧或者切换到负直流母线32侧。

第三开关23设置在第一储能电源12与正直流母线31之间，以及第一储能电源12与非储能电源11之间，以用于选择性地将第一储能电源12的另一端切换到正直流母线31侧或者切换到非储能电源11侧。

第四开关24设置在第二储能电源13与正直流母线31之间，以及第二储能电源13与非储能电源11之间，以用于选择性地将第二储能电源13的另一端切换到正直流母线31侧或者切换到非储能电源11侧。

在图4上部所示的切换单元的第一状态中，第一开关21切换到非储能电源11侧，第二开关22切换到负直流母线32侧，第三开关23切换到正直流母线31侧，第四开关24切换到非储能电源11侧。由此形成以下电路连接关系：非储能电源11与第一储能电源12串联耦合在正、负直流母线31、32之间，它们的输出电压与正、负直流母线31、32之间的电压相匹配并由此共同向直流母线提供电能；同时，第二储能电源13被并联在非储能电源11两端并由非储能电源11进行充电。此外可看出，辅助负载43以及驱动电机42在该第一状态中充当用电器并消耗经由直流母线提供的电能。

在图4下部则示出切换单元的第二状态，在该状态中，第一开关21切换到负直流母线32侧，第二开关22切换到非储能电源11侧，第三开关23切换到非储能电源11侧，第四开关24切换到正直流母线31侧。由此形成以下电路连接关系：非储能电源11与第二储能电源13串联耦合在正、负直流母线31、32之间，它们的输出电压与正、负直流母线31、32之间的电压相匹配并由此共同向直流母线提供电能；同时，第一储能电源12被并联在非储能电源11两端并由非储能电源11进行充电。此外，辅助负载43以及驱动电机42在该第二状态中充当用电器并消耗经由直流母线提供的电能。

当车辆较平稳地行驶并功率需求较稳定(例如稳定在固定功率区间内)时，切换单元则可以在第一状态和第二状态之间来回切换，从而始终通过这种串联耦合来给驱动电机供电。在运行期间，切换单元实时获取第一储能电源12和第二储能电源13的荷电状态信息，当第一储能电源12的荷电状态满足第一预定义要求(例如高于下极限值L1)时，且第二储能电源13的荷电状态不满足第一预定义要求(例如低于下极限值L1时)，切换单元则切换到图4上部所示的第一状态中。如果随着第一储能电源12的放电过程，电荷被逐渐消耗直至低于图2所示的下极限值L1，并且如果第二储能电源13已经被充电了一段时间(例如荷电状态处于图2所示的区间201中)，则切换单元通过控制各开关21、22、23、24的通断情况而从图4上部所示的第一状态切换到图4下部所示的第二状态中。

通过切换单元在第一状态与第二状态之间交替工作的机制，第一和第二储能电源12、13能够循环地工作在充电和放电模式，并因此确保：参与串联耦合的储能电源12、13的荷电状态始终满足第一预定义要求。因此，提供了取消直连在非储能电源11后面的DC/DC转换器的可能性，在总体上实现了一种能够持续地通过串联耦合给驱动装置供电的电路拓扑。

图5a-5b示出了根据另一示例性实施例的切换单元的可能状态的示意图。

图5a示出了图4中的第一状态的一种变形，此时非储能电源11与第一储能电源12构成串联耦合，并因此以组合输出电压给驱动装置42供电。与图4所示的第一状态不同的是，第二储能电源13现在不再并联在非储能电源11两端并因此仅由非储能电源11充电，而是通过第二和第四开关22、24的另一切换状态而并联在整个串联组合(即非储能电源11与第一储能电源12构成的串联电路)两端。由此，第二储能电源13由非储能电源11以及第一储能电源12共同地充电。这尤其在以下应用场景中是有利的：驱动装置42的功率需求稳定在较低水平且期望对第二储能电源13更快地进行充电。

此外在一个未示出的实施例中，同样能够想到通过控制开关21、22、23、24的通断状态而对图4所示的第二状态进行适当变形，以便在通过非储能电源11与第二储能电源13构成串联耦合供电的同时，由非储能电源11与第二储能电源13共同地给第一储能电源12充电。

图5b示出了图4中的第一状态的另一变形，此时第一、第三及第四开关21、23、24的开关位置与图4上部所示状态中的各对应开关位置相同，唯一不同之处在于，此时第二开关22既不将第二储能电源13连接到非储能电源11侧，也不将其连接到负直流母线32侧，而是处于“断路”状态。由此，仅通过非储能电源11与第一储能电源12构成的串联耦合进行供电，而不对第二储能电源13进行充电。切换单元尤其在如下应用场景中会切换到该状态中：第二储能电源13已经被充电一段时间且其荷电状态达到或超过图2所示的上极限值L2(即，不再满足第二预定义要求)。在这种情况下，为了防止第二储能电源13被过充，则可以通过将第二或第四开关22、24置于“断路”而使第二储能电源13从充电回路隔离。

图6示出了根据另一示例性实施例的切换单元的可能状态的示意图。

图6示出了图4中的第一状态的另一变形。此时，第一、第三开关21、23的开关位置与图4上部所示的切换单元的第一状态相同，不同之处在于：第二开关22的开关位置使第二储能电源13的一端连接到非储能电源11，并且第四开关24的开关位置使第二储能电源13的另一端连接到正直流母线31，此时第一和第二储能电源12、13均工作在放电模式。于是，非储能电源11不再单独与第一储能电源12构成串联耦合，而是第一储能电源12和第二储能电源13的并联电路与非储能电源11串联耦合在正、负直流母线31、32之间，并由此给驱动装置42供电。切换单元例如可根据储能电源12、13在不同电量下的综合放电效率而选择从图4所示的电路状态切换到这种电路状态中，以实现总功率在多个电源节点上的有效分配。

图7a-7b在驱动装置的功率需求的第一水平下示出了切换单元的可能状态的示意图。在此，切换单元还被配置为在驱动装置的功率需求增大到超过第一水平时切换到图7a或图7b所示状态中。该第一水平例如能够反映驱动装置的较大的或反复波动的功率需求。

在图7a所示状态中，切换单元附加地包括第五开关25，该第五开关25设置在第三或第四开关23、24与非储能电源11之间的通路上，以及第三或第四开关23、24与第二开关22之间。在图7a中，非储能电源11经由第一开关21连接到第一储能电源12的一端，第一储能电源12的另一端依次经由第三开关23、第五开关25和第二开关22连接到第二储能电源13的一端，第二储能电源13的另一端经由第四开关24连接到正直流母线24。由此，非储能电源11、第一储能电源12和第二储能电源13共同组成串联耦合，并连接在正、负直流母线31、32之间，此时第一和第二储能电源12、13均处于放电状态。在切换单元的这种状态下，由三个电源11、12、13共同地给驱动状态42供电。这尤其在以下应用场景中是有利的：相比于图4、图5a、图5b所示的电路状态，期望以更大功率给驱动装置42供电。在此，由于串联电路电流基本固定，因此随着所串联的电源数量增加能够实现更明显升压，从而确保整体上更大的功率输出。

在图7b所示状态中，切换单元仍包括四个开关21、22、23、24，此时这四个开关21、22、23、24处于如下状态，以使得非储能电源11从正、负直流母线31、32断开，并且第一、第二储能电源12、13并联耦合在正、负直流母线31、32之间。在切换单元的这种状态下，第一和第二储能电源12、13分别将电能提供到直流母线上，并由此给驱动状态42供电。这尤其在以下应用场景中是有利的：在城市拥堵路况中存在驱动功率的不断波动，非储能电源的频繁启停可能导致其寿命受损，因此在这种情况下采用纯电驱动模式是有利的。例如，车辆在起步或突然加速阶段，驱动装置42的功率需求在短时间内急剧上升，由于非储能电源11一般而言偏软的输出特性，因此可能无法使能量供给动态响应于这种需求变化，因此临时将非储能电源11从供电回路中移除是有利的。视直流母线的电压等级和具体功率需求水平而定，还能够通过控制各个开关21、22、23、24而使第一或第二储能电源12、13单独地或串联地耦合到直流母线，以给驱动装置供电。

图8a-8c在驱动装置的功率需求的第二水平下示出了切换单元的可能状态的示意图。在此，切换单元还被配置为在驱动装置的功率需求减小到低于第二水平时切换到图8a、图8b或图8c所示状态中。

在图8a所示状态中，切换单元的四个开关21、22、23、24处于如下状态，以使得非储能电源11从直流母线断开，并且第一和第二储能电源12、13并联连接在正、负直流母线31、32之间。与图7b所示状态不同的是，此时第一和第二储能电源12、13工作在充电模式，并因此由反向发电的驱动装置42提供电能。这尤其在以下应用场景中是有利的：车辆在惯性滑行或制动情况下释放出的多余能量通过驱动装置42转化为电能，并最终存储在第一和第二储能电源12、13中。

在图8b所示状态中，不同于图8a的是：第一开关21切换到“断路”状态中，并由此使第一储能电源12从正、负直流母线31、32之间断开。此时，只有第二储能电源13通过驱动装置42在能量回收阶段充电。这尤其可能发生在以下应用场景中：第一储能电源12的电量已满(例如荷电状态达到图2所示的上极限值L2)，为防止过充而将其从直流母线断开。

可选择地，通过对开关21、22、23、24的状态调整，也可以实现仅第一储能电源12参与能量回收。

在图8c所示状态中，不同于图8a的是：第四开关24切换到非储能电源11侧，于是第二储能电源13不再并联在正、负直流母线31、32之间，而是与非储能电源11形成闭合回路。此时，第一储能电源12由驱动装置42在能量回收阶段充电，而第二储能电源13由非储能电源11充电。

可选择地，通过对开关21、22、23、24的状态调整，也可以实现第一储能电源12与第二储能单元13的角色互换。

图9在驱动装置的功率需求的第三水平下示出了切换单元的可能状态的示意图。该第三水平例如满足以下条件：当非储能电源提供第三水平所反映的功率大小时，其输出电压恰好能够处于驱动装置的工作电压范围内。当上文中提到的第一水平被定义为功率需求缓慢增大时适用的稳态极限值时，则第三水平例如处于第一水平与第二水平之间。当第一水平表示功率需求快速波动或突然增大时适用的瞬态极限值时，则第三水平甚至可能大于第一水平。在所有场景中，第三水平始终大于第二水平。

在此，切换单元的四个开关21、22、23、24处于如下状态，以使得第一和第二储能电源12、13均从供电系统的电路中断开，同时非储能电源11单独地电耦合到正、负直流母线31、32之间，以给驱动装置42供电。这尤其可能发生在以下情况下：驱动装置42的工作点恰好与非储能电源11的电压-功率关系相适配，因此无需通过串联耦合进行电压补偿。

图10示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于运行用于对驱动装置供给能量的系统的方法的流程图。该方法例如能够借助图1所示的系统1实施，并且该方法示例性地包括步骤S1和S2。

在步骤S1中，从电池管理系统或者车辆总线获取条件信号。在此，条件信号例如包括直流母线上的和/或驱动装置42的功率需求信息。此外，条件信号例如还包括第一和/或第二储能电源12、13的状态信息。

在步骤S2中，根据条件信号控制切换单元20切换非储能电源11、第一储能电源、第二储能电源以及直流母线30之间的电连接状态，以使得在至少由非储能电源11给驱动装置42供电期间，非储能电源11能够与包含第一储能电源12和/或第二储能电源13的电路部段串联耦合到直流母线30，其中，在所述串联耦合的情况下，非储能电源11与所串联的包含第一储能电源12和/或第二储能电源13的电路部段的共同电压输出匹配于直流母线30的电压。在此，例如将所获取的荷电状态信息和功率需求信息与多个预存储的参考条件比对，以判断当前系统工况是否符合至少一个参考条件，并在满足参考条件的情况下控制切换单元的各个开关切换到与所满足的参考条件相匹配的状态中，以实现相应的电路连接关系，各参考条件与切换单元的各开关状态之间的匹配关系也可以预先存储。

尽管这里详细描述了本发明的特定实施方式，但它们仅仅是为了解释的目的而给出的，而不应认为它们对本发明的范围构成限制。在不脱离本发明精神和范围的前提下，各种替换、变更和改造可被构想出来。

Claims (13)

1.一种用于对驱动装置(42)供给能量的系统(1)，所述系统(1)包括：

直流母线(30)；

非储能电源(11)，其用于通过电化学反应产生电能并选择性地耦合到直流母线(30)；

第一储能电源(12)，其选择性地耦合到直流母线(30)；

第二储能电源(13)，其选择性地耦合到直流母线(30)；

切换单元(20)，其被配置为根据条件信号切换非储能电源(11)、第一储能电源(12)、第二储能电源(13)以及直流母线(30)之间的电连接状态，以使得在至少由非储能电源(11)给驱动装置(42)供电期间，非储能电源(11)能够与包含第一储能电源(12)和/或第二储能电源(13)的电路部段串联耦合到直流母线(30)，其中，在所述串联耦合的情况下，非储能电源(11)与所串联的包含第一储能电源(12)和/或第二储能电源(13)的电路部段的共同电压输出匹配于直流母线(30)的电压。

2.根据权利要求1所述的系统(1)，其中，所述条件信号包括：

驱动装置(42)的和/或直流母线(30)上的功率需求信息；以及

第一储能电源(12)和/或第二储能电源(13)的状态信息。

3.根据权利要求1或2所述的系统(1)，其中，所述切换单元(20)被配置为使得在非储能电源(11)与包含第一储能电源(12)和/或第二储能电源(13)的电路部段串联耦合到直流母线(30)的情况下，所述电路部段中包含的第一储能电源(12)和/或第二储能电源(13)的荷电状态满足第一预定义要求，其中，满足所述第一预定义要求包括高于下极限值(L1)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统(1)，其中，切换单元(20)被配置为能够在第一状态与第二状态之间来回切换，在第一状态中非储能电源(11)与第一储能电源(12)串联耦合到直流母线(30)，在第二状态中非储能电源(11)与第二储能电源(13)串联耦合到直流母线(30)，其中，当第一储能电源(12)的荷电状态不满足第一预定义要求时切换单元(20)从第一状态切换到第二状态，当第二储能电源(13)的荷电状态不满足第一预定义要求时切换单元(20)从第二状态切换到第一状态。

5.根据权利要求4所述的系统(1)，其中，在第一状态中第二储能电源(13)被充电，在第二状态中第一储能电源(12)被充电，其中，切换单元(20)还被配置为使得第一储能电源(12)和/或第二储能电源(13)在被充电时荷电状态满足第二预定义要求，其中，满足所述第二预定义要求包括低于上极限值(L2)。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统(1)，其中，切换单元(20)还被配置为在第一储能电源(12)的荷电状态不满足第一预定义要求时切换到如下状态中：由非储能电源(11)单独地、由第二储能电源(13)单独地、和/或由非储能电源(11)与第二储能电源(13)的串联耦合共同地给第一储能电源(12)充电，和/或由驱动装置(42)在能量回收阶段给第一储能电源(12)充电。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的系统(1)，其中，切换单元(20)还被配置为在驱动装置(42)的功率需求增大到超过第一水平时切换到如下状态中：

非储能电源(11)、第一储能电源(12)和第二储能电源(13)串联耦合到直流母线(30)，以给驱动装置(42)供电；或者

非储能电源(11)从直流母线(30)断开，并且第一储能电源(12)、第二储能电源(13)单独地或同时地耦合到直流母线(30)，以给驱动装置(42)供电。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的系统(1)，其中，切换单元(20)还被配置为在驱动装置(42)的功率需求减小到低于第二水平时切换到如下状态中，第二水平小于第一水平：

在非储能电源(11)与第一储能电源(12)和/或第二储能电源(13)构成的闭合回路中，由非储能电源(11)给第一储能电源(12)和/或第二储能电源(13)充电；或者

第一储能电源(12)、第二储能电源(13)单独地或同时地耦合到直流母线(30)，以由驱动装置(42)在能量回收阶段给第一储能电源(12)和/或第二储能电源(13)进行充电。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的系统(1)，其中，切换单元(20)还被配置为在功率需求处于第三水平时切换到如下状态中，其中，当非储能电源(11)提供第三水平所反映的功率大小时，非储能电源(11)的输出电压恰好处于驱动装置(42)的工作电压范围内：

非储能电源(11)单独地耦合到直流母线(30)，以给驱动装置(42)供电。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的系统(1)，其中，非储能电源(11)与包含第一储能电源(12)和/或第二储能电源(13)的电路部段串联耦合到直流母线(30)包括：

非储能电源(11)与第一储能电源(12)串联耦合到直流母线(30)；

非储能电源(11)与第二储能电源(13)串联耦合到直流母线(30)；

第一储能电源(12)和第二储能电源(13)的串联电路与非储能电源(11)串联耦合到直流母线(30)；以及

第一储能电源(12)和第二储能电源(13)的并联电路与非储能电源(11)串联耦合到直流母线(30)。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的系统(1)，其中，所述非储能电源(11)被构造为燃料电池，所述第一储能电源(12)和第二储能电源(13)被分别构造为蓄电池或超级电容器。

12.一种用于运行用于对驱动装置(42)供给能量的系统(1)的方法，所述方法用于借助根据权利要求1至11中任一项所述的系统(1)执行，所述方法包括以下步骤：

S1：获取条件信号；以及

S2：根据条件信号控制切换单元(20)切换非储能电源(11)、第一储能电源(12)、第二储能电源(13)以及直流母线(30)之间的电连接状态，以使得在至少由非储能电源(11)给驱动装置(42)供电期间，非储能电源(11)能够与包含第一储能电源(12)和/或第二储能电源(13)的电路部段串联耦合到直流母线(30)，其中，在串联耦合的情况下，非储能电源(11)与所串联的包含第一储能电源(12)和/或第二储能电源(13)的电路部段的共同电压输出匹配于直流母线(30)的电压。

13.一种车辆，所述车辆包括驱动装置(42)以及根据权利要求1至11中任一项所述的系统(1)。