TW202110032A

TW202110032A - 用於機動車輛的電池系統，用於操作電池系統的方法和機動車輛

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Publication number: TW202110032A
Application number: TW109127909A
Authority: TW
Inventors: 約阿西姆厄爾; 安德烈亞斯格萊特; 斯文蘭達
Original assignee: 德商羅伯特博世有限公司
Priority date: 2019-08-19
Filing date: 2020-08-17
Publication date: 2021-03-01
Also published as: DE102019212351A1; WO2021032411A1; CN114270594A; EP4018520A1

Abstract

本發明係關於一種用於一機動車輛之電池系統（10），其包含：一第一電池模組（5），其具有一第一電壓源（V1）、一第一電感（L1）、一正極（22）及一負極（21）；一第二電池模組（6），其具有一第二電壓源（V2）、一第二電感（L2）、一正極（22）及一負極（21）；一輸出電容器（CA），其具有一正端子（12）及一負端子（11）；一第一開關單元（50），其用於將該第一電池模組（5）電連接至該輸出電容器（CA）；及一第二開關單元（60），其用於將該第二電池模組（6）電連接至該輸出電容器（CA）。該些開關單元（50、60）中之每一者分別具有一第一開關元件（61）、一第二開關元件（62）及一第三開關元件（63），其中該第一開關元件（61）之一第一連接件連接至一節點（25），該第一開關元件（61）之一第二連接件連接至經指派電池模組（5、6）之該正極和該負極（21、22）中之一者，該第二開關元件（62）之一第一連接件連接至該節點（25），該第二開關元件（62）之一第二連接件連接至該輸出電容器（CA）之該正端子和該負端子（11、12）中之一者，該第三開關元件（63）之一第一連接件連接至該經指派電池模組（5、6）之該正極和該負極（21、22）中之另一者且連接至該輸出電容器（CA）之該正端子和該負端子（11、12）中之另一者，且該第三開關元件（63）之一第二連接件連接至該節點（25）。本發明亦關於一種用於操作根據本發明之一電池系統（10）的方法，其中該第二開關單元（60）以一方式受控制，該方式使得一電流流動通過該第二電池模組（6），由此，電能被傳輸至該第二電壓源（V2）。本發明亦關於一種包含根據本發明之至少一個電池系統（10）的機動車輛，該電池系統係使用根據本發明之方法來操作。

Description

用於機動車輛的電池系統，用於操作電池系統的方法和機動車輛

本發明係關於一種用於機動車輛之電池系統，其包含：第一電池模組，其具有第一電壓源、第一電感、正極及負極；第二電池模組，其具有第二電壓源、第二電感、正極及負極；輸出電容器，其具有正端子及負端子；第一開關單元，其經指派至第一電池模組且用於將第一電池模組電連接至輸出電容器；及第二開關單元，其經指派至第二電池模組且用於將第二電池模組電連接至輸出電容器。本發明亦關於一種用於操作根據本發明之電池系統的方法及一種具有對應的電池系統之機動車輛。

習知機動車輛具有通常包含內燃機之驅動裝置。習知機動車輛亦包含用於向機動車輛之起動馬達及其他負載供應電能的電池系統以及用於對電池系統充電之發電機。電動車輛則具有用於向牽引馬達及其他負載供應電能之電池系統。

習知機動車輛之通用類型之電池系統包含具有至少一個電池單元，較佳地具有例如串聯連接之複數個電池單元的至少兩個電池模組。此類電池模組具有例如12 V、24 V或48 V之標稱電壓。在此狀況下，習知機動車輛之電池系統之輸出電壓對應於並聯連接之電池模組之標稱電壓。電動車輛之通用類型的電池系統亦可具有例如600 V之較高輸出電壓。

通用類型之電池系統亦包含用以緩衝電池系統之輸出電壓的輸出電容器。此類輸出電容器電連接至機動車輛之車輛電氣系統，且亦被稱作中間電路電容器。通用類型之電池系統亦包含用於將電池模組電連接至輸出電容器之至少兩個開關單元。開關單元可用以將電池模組電連接至機動車輛之車輛電氣系統以及輸出電容器且將電池模組與車輛電氣系統及輸出電容器斷開連接。

舉例而言，電池模組之電池單元為鋰離子電池單元。在此狀況下，電池模組之電池單元未必均勻地放電。電池單元之電荷且因此電池模組之電荷可因此彼此不同，且電池模組之電壓隨後並非全部處於相同位準。為了操作此電池系統，電池模組之電荷狀態必須至少大致相同。因此，對個別電池模組之電荷狀態進行定期均衡。此均衡亦被稱作平衡。

文件EP 2 575 246 A1揭示了一種具有高電壓側及低電壓側之DC/DC轉換器及一種用於藉助於變換器對高電壓側之電容器放電的方法。

文件US 2019/058430 A1揭示了一種具有電動馬達、兩個電壓源及用於控制電動馬達之複數個轉換器的設備。

文件DE 10 2011 110 906 A1及CN 102 39 8507 B揭示了一種混合傳動系統，其含有高電壓電池及耦接至整流器/反相器模組之DC耦接件。整流器/反相器模組電連接至兩個扭力機且包含開關裝置，該開關裝置包含一對功率電晶體。

文件WO 2017/064820 A1揭示了一種用於產生電能之系統，其具有發電機、頻率轉換器及能量轉換系統。

提出一種用於一機動車輛之電池系統。在此狀況下，該電池系統包含：一第一電池模組，其具有一第一電壓源、一第一電感、一正極及一負極；一第二電池模組，其具有一第二電壓源、一第二電感、一正極及一負極；一輸出電容器，其具有一正端子及一負端子；一第一開關單元，其經指派至該第一電池模組且用於將該第一電池模組電連接至該輸出電容器；及一第二開關單元，其經指派至該第二電池模組且用於將該第二電池模組電連接至該輸出電容器。

電池模組各自包含可在電池模組內部彼此串聯及並聯連接之複數個電池單元。電池單元較佳地呈鋰離子電池單元之形式。電池單元模擬電單元電壓源。電池模組內部之電線具有電感。電池模組之電池單元之電單元電壓源分別形成各別電池模組之電壓源。電池模組之電線之電感分別形成各別電池模組之電感。視情況，電池模組可另外包含具有額外電感之線圈。

舉例而言，該輸出電容器為中間電路電容器。中間電路電容器可電連接至機動車輛之車輛電氣系統，且用以緩衝電池系統之輸出電壓。作為中間電路電容器之替代方案或除了中間電路電容器之外，電池模組可另外具有進一步的電容器。

根據本發明，該些開關單元中之每一者分別具有一第一開關元件、一第二開關元件及一第三開關元件。開關元件各自具有三個連接件，其中可藉助於第三連接件所控制之開關路徑形成於第一連接件與第二連接件之間。開關單元較佳地具有相同結構，且以相同方式連接至分別指派之電池模組及輸出電容器。

在此狀況下，該第一開關元件之一第一連接件連接至一節點，且該第一開關元件之一第二連接件連接至經指派電池模組之該正極和該負極中之一者。該第二開關元件之一第一連接件連接至該節點，且該第二開關元件之一第二連接件連接至該輸出電容器之該正端子和該負端子中之一者。該第三開關元件之一第一連接件連接至該經指派電池模組之該正極和該負極中之另一者及該輸出電容器之該正端子和該負端子中之另一者，且該第三開關元件之一第二連接件連接至該節點。

舉例而言，該第一開關元件之該第二連接件連接至該經指派電池模組之該正極，且該第二開關元件之該第二連接件連接至該輸出電容器之該正端子。該第三開關元件之該第一連接件接著連接至該經指派電池模組之該負極及該輸出電容器之該負端子。在此狀況下，該電池模組之該負極永久地連接至該輸出電容器之該負端子。

經指派開關單元可用以將兩個電池模組中之每一者電連接至機動車輛之車輛電氣系統以及輸出電容器，且將兩個電池模組中之每一者與車輛電氣系統及輸出電容器斷開連接。若第一開關元件及第二開關元件閉合且第三開關元件斷開，則各別電池模組連接至車輛電氣系統及輸出電容器。若兩個電池模組連接至車輛電氣系統及輸出電容器，則該些電池模組並聯連接。電池系統亦可包含各自具有經指派開關單元之多於兩個電池模組。

根據本發明之一個較佳組態，開關單元之第一開關元件、第二開關元件及第三開關元件各自呈場效電晶體之形式且各自具有源極連接件、汲極連接件及閘極連接件。開關元件以一方式被連接，該方式使得在每一狀況下，第一連接件為源極連接件，第二連接件為汲極連接件且第三連接件為閘極連接件。舉例而言，開關元件為MOSFET，特別是增強型n通道MOSFET。

兩個開關單元之第一開關元件、第二開關元件及第三開關元件各自較佳地具有開關路徑及反向二極體，該反向二極體與開關路徑並聯連接且亦被稱作內接二極體。

亦提出一種用於操作根據本發明之一電池系統的方法。在此狀況下，第二開關單元以一方式受控制，該方式使得電流流動通過第二電池模組，由此，電能被傳輸至第二電池模組之第二電壓源。在此狀況下，電流尤其流動通過第二開關單元、第二電感及第二電壓源。

第二電池模組之電池單元藉由將電能傳輸至第二電池模組之第二電壓源而充電。第二電池模組之電荷狀態因此增大，且第二電池模組之第二電壓源之電壓變高。若第二電池模組之電荷狀態低於第一電池模組之電荷狀態，則藉助於本發明之方法使電荷狀態均衡，亦即，使兩個電池模組平衡。

傳輸至第二電池模組之第二電壓源的電能較佳地獲自第一電池模組及/或輸出電容器，且藉助於該電流傳輸至第二電池模組之第二電壓源。

若傳輸至第二電池模組之第二電壓源的電能獲自第一電池模組，則第一電池模組之電荷狀態同時降低。因此，進一步加快了電荷狀態之均衡，亦即兩個電池模組之平衡。

較佳地在複數個連續階段中控制第二開關單元。在此狀況下，第二開關單元以一方式受控制，該方式使得在第一階段期間，電能自第一電池模組傳輸至第二電池模組之第二電感，且在第二階段期間，電能自第二電池模組之第二電感傳輸至第二電池模組之第二電壓源。

第二開關單元較佳地以一方式受控制，該方式使得在第一階段期間，第二開關單元之第一開關元件閉合，第二開關單元之第二開關元件閉合且第二開關單元之第三開關元件斷開。在第一階段期間，電流流動通過第一開關元件、第二開關元件、第二電感及第二電壓源。

第二開關單元較佳地亦以一方式受控制，該方式使得在第二階段期間，第二開關單元之第一開關元件閉合，第二開關單元之第二開關元件斷開且第二開關單元之第三開關元件閉合。在第二階段期間，電流流動通過第一開關元件、第三開關元件、第二電感及第二電壓源。

第二開關單元較佳地亦以一方式受控制，該方式使得第一階段及第二階段循環地重複。第一階段及第二階段較佳地以例如20 kHz之相對高的頻率重複。

亦提出一種包含根據本發明之至少一個電池系統的機動車輛，該電池系統係使用根據本發明之方法來操作。本發明之優點

在根據本發明之用於機動車輛的電池系統中，本發明之方法可以用相對簡單的方式且在相對短的時間內使電池模組之電荷狀態均衡，亦即進行平衡。在此狀況下，能量以及因此電荷可尤其自具有較高電荷狀態之電池模組傳輸至具有較低電荷狀態之電池模組。在此狀況下，流動通過第二電池模組之電流可藉由適當地控制第二開關單元之開關元件而以相對簡單的方式受限制。

本發明之方法可用於以與DC/DC轉換器或降壓轉換器類似的方式操作根據本發明之電池系統。在此操作期間，電能尤其自第一電壓源傳輸至內部電感且傳輸至第二電壓源上。在此狀況下，第二電壓源之電壓始終保持小於或等於第一電壓源之電壓。

在本發明之實施例之以下描述中，使用相同元件符號表示相同或類似的元件，在此狀況下，在個別狀況下省去對此等元件之重複描述。圖式僅示意性地說明本發明之主題。

圖1展示用於機動車輛之電池系統10之示意性說明。電池系統10包含第一電池模組5、第二電池模組6、輸出電容器CA、指派至第一電池模組5之第一開關單元50及指派至第二電池模組6之第二開關單元60。第一開關單元50用以將第一電池模組5電連接至輸出電容器CA。第二開關單元60用以將第二電池模組6電連接至輸出電容器CA。

電池模組5、6各自包含此處未說明且可在各別電池模組5、6內部彼此串聯及並聯之複數個電池單元。電池單元中之每一者模擬電單元電壓源。電單元電壓源各自形成各別電池模組5、6之電壓源V1、V2。電池模組5、6之電線之電感形成電感L1、L2。可視情況另外提供具有額外電感之線圈。在此狀況下，電線之電感連同線圈之電感形成電感L1、L2。

因此，第一電池模組5具有第一電壓源V1及第一電感L1。第一電池模組5亦具有正極22及負極21。在空載期間，由第一電壓源V1提供之電壓施加於正極22與負極21之間。

第二電池模組6因此具有第二電壓源V2及第二電感L2。第二電池模組6亦具有正極22及負極21。在空載期間，由第二電壓源V2提供之電壓施加於正極22與負極21之間。

輸出電容器CA具有正端子12及負端子11。輸出電容器CA例如為電連接至機動車輛之車輛電氣系統的中間電路電容器。電池模組5、6可具有其他電容器，該些電容器接著連同中間電路電容器形成輸出電容器CA。

在本發明之狀況下，第一開關單元50及第二開關單元60具有相同結構。開關單元50、60各自具有第一開關元件61、第二開關元件62及第三開關元件63。開關元件61、62、63各自具有三個連接件，其中可藉助於第三連接件所控制之開關路徑形成於第一連接件與第二連接件之間。開關單元50、60亦各自具有內部節點25。

在本發明之狀況下，第一開關元件61、第二開關元件62及第三開關元件63呈場效電晶體之形式。開關元件61、62、63各自具有源極連接件、汲極連接件及閘極連接件。開關元件61、62、63以一方式被連接，該方式使得在每一狀況下，第一連接件為源極連接件，第二連接件為汲極連接件且第三連接件為閘極連接件。

在本發明中，開關元件61、62、63為增強型n通道MOSFET。開關元件61、62、63各自具有開關路徑及與開關路徑並聯連接之反向二極體。反向二極體（其亦被稱作內接二極體）由於其內部結構而產生於任何MOSFET中，且並非顯式組件。

第一開關元件61之第一連接件連接至節點25。第一開關元件61之第二連接件連接至經指派電池模組5、6之正極22。第二開關元件62之第一連接件連接至節點25。第二開關元件62之第二連接件連接至輸出電容器CA之正端子12。第三開關元件63之第一連接件連接至經指派電池模組5、6之負極21及輸出電容器CA之負端子11。第三開關元件63之第二連接件連接至節點25。

圖2展示在方法之第一階段期間電池系統10之示意性說明。在第一階段期間，在第一開關單元50中，第一開關元件61閉合，第二開關元件62閉合且第三開關元件63斷開。在第一階段期間，在第二開關單元60中，第一開關元件61閉合，第二開關元件62閉合且第三開關元件63斷開。

在第一階段期間，電流I流動通過第二電壓源V2、第二電感L2以及第二開關單元60之第一開關元件61及第二開關元件62。在第一階段期間，電流I亦流動通過第一電壓源V1、第一電感L1以及第一開關單元50之第一開關元件61及第二開關元件62。在此狀況下，電能自第一電壓源V1傳輸至第一電感L1及第二電感L2。在此狀況下，第一電池模組5之電荷狀態降低。

在第一階段結束之後，第二開關單元60之第二開關元件62斷開且第二開關單元60之第三開關元件63閉合。第二階段開始。在此狀況下，第二開關單元60之第一開關元件61保持閉合。第一開關單元50之第一開關元件61及第二開關元件62保持閉合，且第一開關單元50之第三開關元件63保持斷開。

圖3展示在方法之第二階段期間電池系統10之示意性說明。在第二階段期間，在第一開關單元50中，第一開關元件61閉合，第二開關元件62閉合且第三開關元件63斷開。在第二階段期間，在第二開關單元60中，第一開關元件61閉合，第二開關元件62斷開且第三開關元件63閉合。

在第二階段期間，電流I流動通過第二電壓源V2、第二電感L2以及第二開關單元60之第一開關元件61及第三開關元件63。在此狀況下，電能自第二電感L2傳輸至第二電池模組6之第二電壓源V2。在此狀況下，第二電池模組6之電荷狀態增大。

視情況，在第二階段期間，第二開關單元60之第三開關元件63亦可保持斷開。如已提及，第三開關元件63呈MOSFET之形式且具有反向二極體，其亦被稱作內接二極體。第三開關元件63以使得在第二階段期間流動之電流I可流動通過該反向二極體的方式配置於第二開關單元60中。

在第二階段結束之後，第二開關單元60之第二開關元件62閉合且第二開關單元60之第三開關元件63斷開。另一第一階段開始。在此狀況下，第二開關單元60之第一開關元件61保持閉合。第一開關單元50之第一開關元件61及第二開關元件62保持閉合，且第一開關單元50之第三開關元件63保持斷開。

本發明不限於本文中所描述之例示性實施例及本文中突出顯示之態樣。相反地，在所屬領域中具通常知識者之活動範圍內的大量修改在申請專利範圍所闡述之範圍內係可以聯想的。

5:第一電池模組 6:第二電池模組 10:電池系統 11:負端子 12:正端子 21:負極 22:正極 25:節點 50:第一開關單元 60:第二開關單元 61:第一開關元件 62:第二開關元件 63:第三開關元件 CA:輸出電容器 I:電流 L1:第一電感 L2:第二電感 V1:第一電壓源 V2:第二電壓源

將基於圖式及以下描述更詳細地解釋本發明之實施例。

在圖式中： [圖1]展示電池系統之示意性說明， [圖2]展示在方法之第一階段期間電池系統之示意性說明，且 [圖3]展示在方法之第二階段期間電池系統之示意性說明。

5:第一電池模組

6:第二電池模組

10:電池系統

11:負端子

12:正端子

21:負極

22:正極

25:節點

50:第一開關單元

60:第二開關單元

61:第一開關元件

62:第二開關元件

63:第三開關元件

CA:輸出電容器

L1:第一電感

L2:第二電感

V1:第一電壓源

V2:第二電壓源

Claims

一種用於一機動車輛之電池系統（10），其包含：一第一電池模組（5），其具有一第一電壓源（V1）、一第一電感（L1）、一正極（22）及一負極（21），一第二電池模組（6），其具有一第二電壓源（V2）、一第二電感（L2）、一正極（22）及一負極（21），一輸出電容器（CA），其具有一正端子（12）及一負端子（11），一第一開關單元（50），其經指派至該第一電池模組（5）且用於將該第一電池模組（5）電連接至該輸出電容器（CA），及一第二開關單元（60），其經指派至該第二電池模組（6）且用於將該第二電池模組（6）電連接至該輸出電容器（CA），其特徵在於：該些開關單元（50、60）中之每一者分別具有一第一開關元件（61）、一第二開關元件（62）及一第三開關元件（63），該第一開關元件（61）之一第一連接件連接至一節點（25），該第一開關元件（61）之一第二連接件連接至經指派電池模組（5、6）之該正極和該負極（21、22）中之一者，該第二開關元件（62）之一第一連接件連接至該節點（25），該第二開關元件（62）之一第二連接件連接至該輸出電容器（CA）之該正端子和該負端子（11、12）中之一者，該第三開關元件（63）之一第一連接件連接至該經指派電池模組（5、6）之該正極和該負極（21、22）中之另一者且連接至該輸出電容器（CA）之該正端子和該負端子（11、12）中之另一者，且該第三開關元件（63）之一第二連接件連接至該節點（25）。
如請求項1之電池系統（10），其中該第一開關元件（61）、該第二開關元件（62）及該第三開關元件（63）呈場效電晶體之形式，其中在每一狀況下該第一連接件為一源極連接件，該第二連接件為一汲極連接件，且一第三連接件為一閘極連接件。
如請求項2之電池系統（10），其中該第一開關元件（61）、該第二開關元件（62）及該第三開關元件（63）各自具有一開關路徑及與該開關路徑並聯連接之一反向二極體。
一種用於操作如請求項1至3中任一項之電池系統（10）的方法，其中該第二開關單元（60）以一方式受控制，該方式使得一電流（I）流動通過該第二電池模組（6），由此，電能被傳輸至該第二電池模組（6）之該第二電壓源（V2）。
如請求項4之方法，其中傳輸至該第二電池模組（6）之該第二電壓源（V2）的該電能獲自該第一電池模組（5）及/或該輸出電容器（CA）。
如請求項4或5之方法，其中該第二開關單元（60）以一方式受控制，該方式使得在一第一階段期間，電能自該第一電池模組（5）傳輸至該第二電池模組（6）之該第二電感（L2），且在一第二階段期間，電能自該第二電池模組（6）之該第二電感（L2）傳輸至該第二電池模組（6）之該第二電壓源（V2）。
如請求項4或5之方法，其中該第二開關單元（60）以一方式受控制，該方式使得在一第一階段期間，該第一開關元件（61）閉合，該第二開關元件（62）閉合且該第三開關元件（63）斷開。
如請求項7之方法，其中該第二開關單元（60）以一方式受控制，該方式使得在一第二階段期間，該第一開關元件（61）閉合，該第二開關元件（62）斷開且該第三開關元件（63）閉合。
如請求項7之方法，其中該第二開關單元（60）以一方式受控制，該方式使得該第一階段及該第二階段循環地重複。
一種包含至少一個如請求項1至3中任一項之電池系統（10）的機動車輛，該電池系統係使用如請求項4至9中任一項之方法來操作。