TW201212477A - Battery with variable output voltage - Google Patents

Description

201212477 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明關於一種具可變輸出電壓的電瓶（Batterie，英： battery) ° 【先前技術】 事實顯示’在將來不論是在位置固定方式的應用或在 車輛例如油電雙用車及電動車都更多使用到電池系統，為 了使對各種用途的電壓要求以及可用的功率都要能滿足， 故將多數電瓶電池（Batteriezelle，英：battery cell )串聯。 由於由這種電瓶提供的電流須流經所有電瓶電池，且一電 瓶電池只能通過有限電流，故往往將附加的電瓶電池並 聯，以將最大電流提高，這點可藉在一電瓶電池殼體内設 多數電池繞組或藉著電瓶電池而達成。 在圖1顯示一個一般的電驅動系統的原理圖，例如見 於電動車及油電雙用車或在位置固定的用$，例如有在風 力發電㈣的轉子葉片的調整。—電瓶（1G)接到-直流電壓 中間回路’它利用—電容器⑴）緩衝。有—脈波交流整流器 (12)，它，經由各二個可切換的|導體閥及二個二極體在三個 輸出端提供互相有相位偏移的正弦波電壓以操作一電驅動 馬達（13)’此f容器的電容須夠大’以將直流電壓中間四路 中的電壓穩定化為—時段，在此時段巾m換的半導 體閥導通。在—實際的應用，如電動4,則造成毫法拉第 圍的问電谷’由於直流電壓中間回路的電壓—般恨高， 4 201212477 因此如此大的電容成本很高，且空間需求很大。 圖2顯示圖1中的電瓶（1〇)的一詳細方塊圖。多數之電 瓶電池串聯且可視需要另外作並聯，俾達料應用所想要 的高輸出電壓以及電瓶容量。在電瓶電池的正極與正電瓶 食而子之間接-充電及分隔裝置（1 6) ’也可視需要在電瓶電池 的負極與-負電瓶端子之間接一分隔裝置(17)。此充及分隔 裝置（16)以及該分隔裝置（17)各包含一保護手段（a)或 (1 9)，它們用於將電瓶電池與電瓶端子隔開，以將電瓶端子 切換成無電壓，否則會由於串聯的電瓶電池的高直流電 壓，對於維修人員或類似者會產生很大的危險電位。另外 在充電及分隔裝置（16)中設有一充電保護手段（2〇)，它具有 個和充電保護手段串聯的充電電阻（2丨）。如果電瓶接到直 流電壓中間回路，則充電電阻(21)限制電容器的充電電流。 為此首先使保護手段（1 8)開路，且只有充電保護手段（2〇) 閉路。如果在正瓶端子的電壓達到電瓶電池的壓，則保護 手段（2〇)可閉路，如有必要，保護手段（18)(19)充電保護手 段（20)可開，保護手段與充保護手段使一電瓶（1〇)成本提高 的权度不小’因為對於其可靠性及對於要由它引導的電流 的要求很高。 【發明内容】 因此依本發明提供一種電瓶，具有至少一電瓶模組串 及一控制罝； 4+ , 平7G ’其中該至少一電瓶模組串包含多數串聯的 電瓶模組’其中各電瓶模組包含至少一電瓶電池及一合單 201212477 元，其中該至少一電瓶電池接在該耦合單元的一第一輸入 端及一第二輸入端之間，且該耦合單元設計成對於一第一 控制信號將該至少一電瓶電池接到該電池模組的_第一端 子及該電池模組的一第二端子之間，而對一第二控制信號 將該第一端子與該第二端子連接，且 其中該控制單元設計成將第一控制信號輸出到該至少 一電瓶模組串的第一組可變數目的電瓶模組，且將該第二 控制信號輸出到該至少一電瓶模組串的其餘電瓶模組，因 此將電瓶的至少一電瓶模組串的輸出電壓可變地調整。 搞合單元可使一個或數個接在第一及第二輸入端之間 的電瓶電池耦合到耦合單元的第一或第二輸出$，使電瓶 電池的壓在外面可用，或將電瓶電池藉著將第一輸出端與 第二輸出端連接而作跨接，因此可由外看到電壓為〇v。 用此方式，可藉著$當控制一電瓶模組率的串聯之電 瓶模組的麵合單元，而調整電瓶模組串的可變之輸出電 壓，其方法係簡單地將對應數目的電瓶模組活電瓶電 池的電Μ在輕合單元的輸出端可看到）或去活〖（搞合單 元的輸出電壓為〇V)。 本發明有一些優點：該脈波交流整流器的功能可直； 整合：：瓶中’因此用於將一直流電壓中間回路緩衝的纟 衝電容器就變多餘而可省却。 在極端情形，各電瓶模組只有一電瓶電池或只有以 電池的：個並聯電路。在此情形，一電瓶模組串的輸出3 坚可作最、”田微的調整。如果如所希望者使用鐘離子電瓶負 6 201212477 池，其電池電壓在2.5v〜4 之間，則電瓶的輸出電壓可 準確调1。電瓶輸出電慶能 .Μ θ§ 調整侍越準，則電磁波相容性 的問？ί|越小，因為由於雷篇 於電瓶電流引起的輻射隨其高頻成分 而減小，但這點和較高的電 祛田今夕问s月 峪成本疋對立的，該成本由於 使用卉多開關而在糕合單 〇早7L的開關中造成較高的功率損 失0 控制單元宜設計成將至少一電瓶模組串的_ 輸出電壓調整，正弦波形輸出 / 翌了直接地接到那些用於 在父流電壓網路操作的元件。 此外’在此該控制單元官 汁成將S亥正弦波形輸出電 Μ用可調整之可預設的頻率敕 描“一 頸羊°周整。在此，電瓶可有多數瓶 挺組串，宜有三個。在此 _ Μ ^"制早70 §又計成對各電瓶模組串 調1一正弦波形輸出電壓， τ ^ ^ 匕們相對於其他電瓶模組串的 正弦形輸出電壓的相位偏移， ^ ^ ^ , 将別疋忒具有三個電瓶模組 串的貫施例可直接地接一雷馬έ $馬達而不需其他中間元件… 電動車或油電混合車的驅動系統因而比起圖i所示者，可 將元件減少到只有本發明的電瓶及一電驅動馬達。作也可 f一電馬達有數個輸入端以用於相位信號，為此，具有多 個電瓶模組串的電瓶對應地適用。 5亥轉合早元有一第一給中&山n < 號 * 輸出5又計成對該第一控制信 虎將第—輸人端或第二輸人端與該第―輸出端連接。 在此’輸出端與電槪模組的一端子連接，而第一或第 :輸二端與電航模組另外的端子連接，這種耗合單元可只 用-個開關（宜為半導體開關如m〇sfet或丽）做成。 201212477 如不用此方式，兮釭人„ _ ^ , 。亥耦合早兀有一第一輸出端與一第二 輸出端，且設計成掛兮笛 玄第一控制信號將第-輸入端與第二 輸入連接’而對續笛— ΐ忒第一控制信號將第一輸入端與 出端分開及將第二輪入嫂盘笛 顆j入&與第一輸出端分開’並將 — 出端與第二輸出端連接。，士括杳a 逑接故種貫施例需要略高的電路成本 (般一個開關），但將電瓶模組的電瓶電池的兩極解耦， 因此當一電瓶模組不當地深放電（仏如⑽㈣，英：心p —ge)或損壞時’其電瓶電池可切換成無電壓因此整 個裝置在繼續操作時可無危險地更換。 本發明@第二標的為一種汽車’該汽車具有-種電 動馬達以驅動此汽> -rf Θ . 旱並具有一個依本發明第一標的之電 瓶，該電瓶與該電驅動馬達連接。 本發明的實施例利用圖式和以下的說明詳細敘述，其 中相同的圖唬表示相同的元件或功能相同的元。 式 方 施 實 圖3顯示用在本發明的電瓶中一耦合單元（3〇)的一第 一貫施例。耦合單元（3〇)有二個輸入端（3丨）及（32)以及一輸 出端（33)，且設計成將二輸入端（31)或（32)之一與輸出端（33) 連接而將另一輸入端解搞。 圖4顯示s玄輕合單元（3〇)的第一實施例的一種可能的 電路技術的變更例’其中設有一第一開關（35)及一第二開關 (36)。各開關接到二輪入端（31)(32)之一以及輸出端（33)之 間。此實施例的優點為··二輸入端（31)(32)與輸出端（33)解 8 201212477 耦’因此輸出端（33)為高歐姆（阻抗）者。這點舉例而言在 修理或維護時很有利。此外，開關（35)(36)可簡單地做成半 導體’例如MOSFET或IGBT。半導體開關的優點為廉倭及 切換速度快，因此耦合單元（30)可在短短時間内對一控號反 應或對控制信號的變化反應，且可達高度切換速度，但相 較於一般的脈波交流整流器〔它藉著在最大及最小直流電 壓間對應地選擇鍵入比例（脈波寬度調變pWM )產生所要 的電壓波形〕本發明有一優點：此耦合單元中的開關的切 換頻率低得多，因此電磁相容性（EMV )改善，且對開關 的要求較低。 圖5A及5B顯示一電瓶模組（40)的二個實施例，它們 一有第貫施例的耦合單元（30)。多數的電瓶電池（丨丨）串聯 到耦σ單凡（3〇)的輸入端之間。但本發明不限於電瓶電池 ⑴）的這種串聯電路，也可只設單—電瓶電池（ιι)但設電瓶 電池⑴）的並聯電路或混合串並聯電路。在圖5α的例子 中’耦合早元(3)的輸出端與一第一端子(41)連接而電瓶電 ,()的負極與—第二端子（42)連接。但也可如圖π作近 乎鏡像對稱的設計，其中電瓶電池（11)的正極與第-端子 (41)連接，而福合單以3〇)的輸出端㈣二端子（42)連接。 一圖6顯示用於本發明電瓶内的—耦合單元⑽的一第 二輕”元(50)有二個輸入端(51)及(52)及二個輸 ⑼連接，U計成用於將第—輸人端⑼與第—輸出端 將第—幹出及將第二輸入端(52)與第二輸出端(54)連接〔並 端(53)與第二輸出端(54)解耦〕或將第-輸入端 201212477 ()與第一輪出端（54)連接，及將第二輸入端（52)與第一輸 ()連接〔並將第一輸入端（51)與第二輸入端（5 2)解 〕 此外’在轉合單元的特定實施例中’它還可設計成 將一輸入端（5 1)(52)與輸出端（53)(54)隔開，且將第一輸出端 (53)與第二輪出端(54)解耦。但第-輸入端(51)也不與第二 輸入端（52)連接》 、 圖7顯示耦合單元（5〇)第二實施例的電路技術的可能 的變更’其中設有—第—（55)、—第二（56)、及—第三開關 ()第開關（55)接到第一輸入端（5 1)和第一輸出端（53) 之間。帛二開關（56)接到第二輸入端（52)和第二輸出端（54) 之間，第三開關（57)接到第一輸出端（53)和第二輸出端（54)。 此實施例同樣有-好處：_ (55)(56)可簡單地做成半 導體開關形式，例如M〇SFET或IGBT。半導體開關的優點 為便宜及切換速度快，因此麵合單元（5G)可在短短時間内對 控制信號反應或對控制信號的變化反應，且可達到高 速率。 、 圖8顯示一電瓶模組（6 〇)的一實施例，具有第二實施例 的耦合單元（50)，多數電瓶電池⑴）串聯到一輕合單元⑼） 的輸入端之間。此電瓶模組(60)的實施例也不限於這種電瓶 f&(⑴❹聯電信’而係也^單—電瓶電池⑴）或設 並聯電路或混合宰並聯電路，合單元⑽第—輸出端與一 第一端子（61)連接，而耦合單元（4〇)的第二輸出端與一第二 端子(62)連接。相較於圖5A和5B的電瓶模組(4〇)、電財： 組(60)有-優點··電瓶電池⑴)兩側可利用耦合單元作更換 201212477 而無危險’因為該電瓶的其餘電瓶模組的有危險的高累積 電壓不會施加在電瓶電池（11}的任何電極上。 圖9顯示本發明的電瓶的一第一實施例，它有n個電 瓶模組串（7(M)……（70·η)，各電瓶模組串（7CM)〜（70_n)有 多數電池模組（40)或（60)，其中各電槪模組串（7㈡）〜（7〇_n) 有相同數目的電瓶模組（4G)或（6{))，而各電瓶模組（叫或（6〇) 有相同數目的電瓶電池⑴）以相同方式配接。各電瓶模組串 (7〇-1)〜（70-n)的一極可與另外的電瓶模組串（Μ·”〜（7〇_n) 的相關的極連接’這點在圖9巾利用虛線表示。一般， -個電瓶模組串（7G-1)〜（7G-n)的電瓶模組州或⑽的數 目可為大於1的任何數目，而—電瓶的電瓶模組串（7(m)〜 (70-n)的數目可為任何數目。也可另外如圖2所示另外將充 電及分隔裝置以友分隔裝置設在電瓶模組串（7〇·”〜（7〇_幻 的極上如果女全測疋需要如此的話。然而依本發明，這 些分隔裝置並不需要，因為可利用電瓶模組（4())或⑽内所 含的耦合單元(30)或(50)將電瓶電池(1 "與電瓶端子解耦。 圖10顯不一驅動系統，它具有本發明之電瓶的另一實 施例。在圖示的例子中’電瓶有三個電瓶模組串 (70-1)(70-2)(70-3)，它們各直接地接到一驅動馬達（13)的一 輸入端。由於大多現有的電馬達設計成用三個相位信號操 作者，故本發明的電瓶宜正好有三個電瓶模組串。本發明 的電瓶有另好處：一脈波交流整流器的功能已整合到該電 池中，由於電瓶的一控制單元將一電瓶模組串的可變數目 的電瓶模組（40)或（60)活化（或去活化），因此在電瓶模組 201212477 串的輸出端的電壓與活化的電瓶模組(4〇)或(6〇)的數目成比 例，匕可在〇伏特和電瓶模組串的全輸出電壓之間。 ，圖丨1顯示本發明電瓶的一輸出電壓的時間走勢，在此 電瓶（或f瓶模組串）的輸出電壓）V對時間作圖。圖號 (8〇-b)表示—個對於例示的應用目的所㈣（理想）正弦 波仁匕，、有大於等於0的電壓值，理想的正弦形用本發 明的電瓶利用一種「值離散」（wertdiskret，英： VaiUe-di_te) #電壓曲線（80_a)以近似方式產生。此值離 散的電壓曲線，a)與理想曲線⑽_b)的偏差就其大小而 言’係與在-電瓶模組（4G)或（6G)中串聯的電瓶電池（⑴的 數目有關。-電瓶模組（40)或_中串聯的電瓶電池數目越 少，則該值離散的電壓曲線（80_勾越準確地遵循理想曲線 (80 b)但在一鈸的應用，這種比較小的偏差不會影響整個 系統的功能。相較於傳統的脈波交流整流器（它只能有二 進位的輸出電壓，這種電壓須利用隨後的電路元件遽'掉） 這種偏差大大減少。 但除了上述的優點外，本發明還有一些優點：高伏特 元件數目及插接連接部的數目減少，且可以將該電瓶的一 冷却系統與該脈波交流整流器組合，其中用於冷却該電瓶 電池的冷媒隨後可用於冷却脈波交流器的元件〔以及耦合 單元（40)或（60)〕，因為它們一般會達到較高操作溫度且還 可利用這種已被電瓶電池加熱過的冷媒充分冷却，此外可 將電瓶與脈波交流整流器的控制單元組合，因此可省却其 他成本。此耦合單元提供一種脈波交流整流器與電池的整 12 201212477 合的安全概念’且提高整個系統的可靠性及可用 ⑺r生以及電 瓶的壽命。 具有整合的脈波交流整流器的電瓶的另—優點為.— 可很簡單地用模組方式由具有整合的耦合單元 匕 ▲ 干凡的個別電瓶 模组建構起來’如此可使用相同的部件（構造箱原理） 【圖式簡單說明】 圖1係依先前技術的一電驅動系統； 圖2係依先前技術的一電瓶的方塊圖； 圖3係用於本發明的電瓶中的一耦合單 施例； 的—第 實 術變；：係該耗合單元的第-實施例的-種可能之電路技 圖5A與5B係一種電瓶模組的二個實施罝 實施例的耗合單元； 八有第— 施例； 圖7係該耦 術變更； 圖8係-電瓶模組的實施例，具有第二實施例的耦合 圖6係用於本發明的電瓶中的一耦合單元的一第二實 δ單元的第二實施例的一種可能之電路技 單元； 圖9係本發明電瓶的—第—實施例； =10係—驅動系統，具有本發明電瓶的另一實施例； 1係本發明電瓶的—起始電壓的時間走勢圖。 13 201212477 【主要元件符號說明】 (10) 電瓶 (11) 電容器（電瓶電池） (12) 脈波交流整流器 (13) 電驅動馬達 (16) 充電極分隔裝置 (17) 分隔裝置 (18) 保護手段 (19) 保護手段 (20) 充電保護手段 (21) 充電電阻 (30) 耦合單元 (31) 〔耦合單元（30)的〕輸入端 (32) 〔耗合單元（30)的〕輸入端 (33) 〔耦合單元（30)的〕輸出端 (35) 第一開關 (36) 第一開關 (40) 電瓶模組 (41) 第一端子 (42) 第二端子 (50) 耦合單元 (51) 〔耦合單元的〕輸入端 (52) 〔搞合單元的〕輸入端 14 201212477 (53) (54) (55) (56) (60) (61) (62) (70-1)(70-2)."(70-n) (80-a)(80-b) 〔耦合單元的〕 〔耦合單元的〕 開關 開關 電瓶模組 第一端子 第二端子 電瓶模組串 電壓曲線 第一輸出端 第二輸出端 15

Claims (1)

1. 201212477 七、申請專利範圍： 1. 一種電瓶，具有至少一電瓶模組串（70)及一控制單 元，其中該至少一電瓶模組串（70)包含多數串聯的電瓶模組 (40)(60) ’其中各電瓶模組（40)(60)包含至少一電瓶電池（1 1) 及一耦合單元（30)(50); 其中該至少一電瓶電池（11)接在該耦合單元（3〇)(5〇)的 一第一輸入端（31)(5 1)及一第二輸入端（32)(52)之間，且該耦 合單元（30)(50)設計成對於一第一控制信號將該至少一電瓶 電池（Π)接到該電池模組（40)(60)的一第一端子（41)(61)及 該電池模組（4〇)(60)的一第二端子（42)(62)之間，而對一第二 控制k號將該第一端子（41)(61)與該第二端子（42)(62)連 接，且 其中該控制單元設計成將第一控制信號輸出到該至少 一電瓶模組串（70)的一第一組可變數目的電瓶模組 (40)(60)，且將該第二控制信號輸出到該至少一電瓶模組串 (70)的其餘電瓶模組(4〇)(6〇) ’因此將電瓶的至少一電瓶模 組串（70)的輸出電壓可變地調整。 2. 如申請專利範圍第1項之電瓶，其中： 該控制單元設計成將該至少一電瓶模組串的一正弦形 輸出"iS號調整<5 3. 如申請專利範圍第2項之電瓶，其中： 該控制單元設計成將該正弦形輪出電屢用一可調整之 可預設的頻率調整。 4. 如申請專利範圍第i或第3項之電瓶，其中： 201212477 該電瓶有多*電瓶模組串（70)，且宜有三個電瓶模組串 ,/、中。亥控制單元设計成對各電瓶模組串（7〇)控制一正 :形輸出電壓’該輸出電壓相對於其他的電瓶模紐串(川) 的正弦形輸出電壓的相位有偏移。 如申請專利範圍第i或第2項之電瓶，其中: 於制—第—輪出端（33)且設計成對該第一 控制k號將第一輸入端（31)或 端(33)連接。 八第-輸入知(32)與該第一輸出 6.如申請專利範圍第1或第2項之電瓶，其中： 該輕合單元（5〇)有一第 广輸出端（53)與一第二給Ψ *山 )，且設計成對該第一控 輸八端⑽連接，而對η 端(5ΐ)與第二 ^而對忒第二控制信號將第一於入灿 第—輸出端（53)分開及# $ _ ^ 別缒（51)與 八问 —輸入端(52)與第二輸出姓…、 刀開，並將广輪出端(53)與第二輸出端(54)連接出端⑽ 7·-種4，具有_電驅動馬達（13)以 具有一個如前沭 E ^ 功"豕/飞車，並 一項申知專利範圍的電瓶，與 馬達（1 3)連接。 興遠電驅動 八、圖式： (如次頁） 17