專利名稱：具有集成的脈沖逆變器和提高的可靠性的耦合單元和蓄電池模塊的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于蓄電池模塊的耦合單元以及具有這樣的耦合單元的蓄電池模塊。
背景技術：
在將來，無論在固定的應用還是在車輛諸如混合動カ車輛和電動車輛中，將增加 應用蓄電池系統。為了能夠滿足針對各應用給出的對電壓以及所能夠提供的功率的要求，串聯了較高數量的蓄電池単元。因為由ー個這樣的蓄電池提供的電流必須流過所有的蓄電池単元，并且ー個蓄電池単元僅能夠導通受限的電流，因此通常還附加地并聯連接蓄電池単元，以便提高最大電流。這能夠通過在蓄電池單元罩殼內設置更多的単元包或通過外部連接蓄電池單元來實現。然而，在此有問題的是，由于單元電容和電壓不精確相同，在并聯連接的電池單元之間能夠出現補償電流。在圖I中示出了常見的電驅動系統的原理電路圖，電驅動系統諸如在電動車輛和混合動カ車輛中或者在靜態應用中諸如風カ發電裝置的轉動葉片調節中使用的電驅動系統。蓄電池10連接至直流中間電路，該直流中間電路受電容器11緩沖保護。脈沖逆變器12連接至直流中間電路，該脈沖逆變器12通過兩個可控的半導體閥和兩個ニ極管在三個輸出端上分別提供相對彼此相位移位的正弦電壓，以用于驅動電驅動電機13。電容器11的電容必須足夠大，以便使直流中間電路中的電壓穩定ー時間段，在該時間段內接通可控的半導體閥中的ー個。在實際的應用中，諸如在電動車輛中，得出高電容在mF范圍內。因為直流中間電路的電壓通常相當高，只有在高成本并且以大的空間要求的情況下才能夠實現這樣大的電容。圖2在具體的方框電路圖中示出了圖I的蓄電池10。多個蓄電池単元串聯連接，并可選地附加地并聯連接，以實現對于各應用所期望的高的輸出電壓和蓄電池容量。在蓄電池單元的正極和蓄電池正端子14之間連接了負載和分隔裝置16。可選地，能夠附加地在蓄電池単元的負極和蓄電池負端子15之間連接分隔裝置17。分隔和負載裝置16和分隔裝置17分別包括保護繼電器18和19，其被設置為用于將蓄電池單元與蓄電池端子分開，從而使得蓄電池端子不帶電壓。否則，由于串聯連接的蓄電池単元的高直流電壓，對維護人員或類似的人將有相當的危險電勢。在負載和分隔裝置16中附加地設置有負載保護繼電器20和與負載保護繼電器20串聯連接的負載電阻21。如果蓄電池連接到直流中間電路，則負載電阻21限制電容器11的充電電流。在此，首先斷開保護繼電器18，并僅閉合負載保護繼電器20。如果在蓄電池正端子14上的電壓達到蓄電池単元的電壓，則能夠閉合保護繼電器19，并且必要時斷開負載保護繼電器20。保護繼電器18、19和負載保護繼電器20明顯提高蓄電池10的成本，因為對其可靠性和對由其導通的電流提出了高的要求。大量蓄電池単元的串聯連接除了總電壓高之外，還帶來了這樣的問題，S卩如果一個蓄電池単元故障，則整個蓄電池故障，因為由于串聯連接，蓄電池電流必須流過所有的蓄電池單元。這樣的蓄電池故障能夠導致整個系統的故障。在電動車輛中,驅動蓄電池的故障能夠導致所謂的趴窩(Liegenbleiber)，在另外的諸如風カ發電裝置的轉動葉片調節裝置中，在強風情況下，這能夠導致安全危險情況。因此蓄電池的可靠性高是有利的。根據定義，概念“可靠性”是指系統正確地工作預先給定的時間的能力。
發明內容
因此，依據本發明提出了一種用于蓄電池模塊的耦合單元，其中，所述耦合単元具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端。耦合單元被構造為根據控制信號將第一輸入端或第ニ輸入端與輸出端相連接。耦合單元能夠將ー個或多個連接在第一和第二輸入端之間的蓄電池單元耦合到耦合單元的輸出端以使得外部能夠有蓄電池單元的電壓，或者繞過蓄電池單元以使得從外部看到OV的電壓。相對于圖I所示的蓄電池系統，蓄電池系統的可靠性大大提高了，因為單個蓄電池單元的故障不會直接導致蓄電池系統的故障。耦合單元能夠具有換向開關，其被構造為根據控制信號將第一輸入端或第二輸入端與輸出端相連接。替代地，耦合單元能夠具有第一開關和第二開關，第一開關連接在第一輸入端和輸出端之間，第二開關連接在第二輸入端和輸出端之間。耦合單元的這樣的實施形式特別適合用半導體開關實現，其中，第一開關和/或第二開關優選地被構造為MOSFET開關或絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)開關。第二發明方面涉及具有依據第一發明方面的耦合單元的蓄電池模塊，蓄電池模塊還具有至少ー個蓄電池單元，優選為鋰離子蓄電池單元，其連接在耦合單元的第一輸入端和第二輸入端之間，其中蓄電池模塊的第一端子與耦合單元的輸出端相連接，且蓄電池模塊的第二端子與耦合單元的第二輸入端相連接。如果在蓄電池模塊的第一和第二端子上應當有至少ー個蓄電池単元的電壓，則將耦合單元的第一輸入端接通至其輸出端。相反，如果應當使蓄電池模塊失效，則將耦合單元的第一輸入端與輸出端斷開，并將耦合單元的第二輸入端與輸出端相連接。由此將第一和第二端子導電地彼此相連，從而對于蓄電池模塊得到OV的電壓。第三發明方面更提出了ー種具有ー個或多個、優選為三個蓄電池模塊組的蓄電池。在此蓄電池模塊組包括多個串聯連接的、依據第二發明方面的蓄電池模塊。蓄電池還包括控制單元，其被構造為，產生用于耦合単元的控制信號并將其輸出至耦合單元。蓄電池具有的優點在于，在一個蓄電池単元故障的情況下，能夠使所涉及的蓄電池模塊失效，而剩余的蓄電池模塊繼續提供電壓。盡管蓄電池能夠提供的最大電壓下降了，然而在蓄電池運行的裝置中，電壓的下降通常不會導致其整體故障。此外可能的是，設置一些附加的蓄電池模塊，如果蓄電池模塊中的ー個故障并且必須使其失效時，將附加的蓄電池模塊相應地包含在蓄電池模塊的串聯連接中。由此使得蓄電池的電壓不會由于蓄電池模塊的故障而受影響，并且蓄電池的功能不依賴于蓄電池単元的故障，由此又大大地提高了整體裝置的可靠性。如果耦合單元具有如上文描述的第一和第二開關，則控制單元能夠被構造為，閉合所選擇的耦合單元的第一開關并斷開所述所選擇的耦合單元的第二開關，或者斷開所述所選擇的耦合單元的第一開關并閉合所述所選擇的耦合単元的第二開關，或者斷開所述所選擇的耦合單元的第一開關和第二開關。如果斷開第一開關和第二開關，則蓄電池模塊為高阻，由此中斷蓄電池模塊組中的電流。這能夠用于維護情況，其中例如能夠將蓄電池模塊組的所有的蓄電池模塊設置為高阻狀態，以便能夠無危險地更換故障蓄電池模塊。由此在圖2中示出的現有技術的保護繼電器17和18變得多余，因為耦合單元已經能夠提供將蓄電池在其兩個極上接為無電壓的可能。控制單元還能夠被構造為，在第一時間點將所選擇的蓄電池模塊組的耦合單元的所有第一輸入端與所述所選擇的蓄電池模塊組的耦合單元的輸出端相連接，并且在第二時間點將所述所選擇的蓄電池模塊組的耦合單元的所有第二輸入端與所述所選擇的蓄電池模塊組的耦合單元的輸出端相連接。由此在第一時間點，在所選擇的蓄電池模塊組的輸出上有該蓄電池模塊組的全部輸出電壓，而在第二時間點輸出OV電壓。由此將蓄電池模塊組的耦合單元用作脈沖逆變器，如圖I中所示，其將直流中間電路的正極或負極接通到脈沖逆變器的輸出端。通過使用例如脈沖寬度調制控制，能夠生成近似的正弦輸出電壓，其中驅動電機的電機繞阻作為濾波器。本發明的蓄電池由此能夠完全承擔現有技術中脈沖逆變器的功能。在具有多個蓄 電池模塊組的實施形式中，每個蓄電池模塊組能夠生成相對于另外的蓄電池模塊組相移的輸出電壓，從而能夠將驅動電機直接與蓄電池相連接。此外，在此有利的是，蓄電池的總電容分攤到多個蓄電池模塊組中，由此省去蓄電池単元的并聯連接，或者至少能夠以明顯地減少的規模來實現。由此消除了或至少減少了在并聯連接的蓄電池單元之間的均衡電流，這提高了蓄電池的壽命。替代如圖I中的単一的直流中間電路，由此得出與設置的蓄電池模塊組一祥多的直流中間電路。這樣的優點在于，可能設置的緩沖電容器的尺寸能夠較小或者能夠完全省去。蓄電池能夠具有與控制單元相連接的傳感器単元，其被構造為，檢測損壞的蓄電池単元并且向控制單元示出。在此，控制単元被構造為，通過輸出適當的控制信號來使具有損壞的蓄電池単元的蓄電池模塊失效。傳感器単元例如能夠測量蓄電池単元的単元電壓或者蓄電池単元的其他運行參數，以便得出蓄電池単元的狀態。在此，“故障的蓄電池単元”不僅能夠是實際上故障的蓄電池単元，還能夠是這樣的蓄電池単元，其當前狀態示出在不久的將來預計出現蓄電池單元的實際的故障的概率高。第四發明方面涉及具有電驅電機的機動車，該電驅動電機用于驅動該機動車，并且該機動車具有與該電驅動電機相連接的、依據前述發明方面的蓄電池。
下面根據附圖和下面的說明書進ー步解釋本發明的實施例，其中相同的附圖標記表示相同或功能相同的部件。附圖中圖I示出了依據現有技術的電驅動系統；圖2示出了依據現有技術的蓄電池的方框電路圖；圖3示出了依據本發明耦合單元；圖4示出了耦合單元的第一實施形式；圖5示出了耦合單元的第二實施形式；圖6A和6B示出了依據本發明的蓄電池模塊的第二實施形式；
圖7示出了依據本發明的蓄電池的第一實施形式；以及圖8示出了具有依據本發明的蓄電池的另ー實施形式的驅動系統。
具體實施例方式圖3示出了依據本發明耦合單元30。耦合單元30具有兩個輸入端31和32以及ー個輸出端33，并且被構造為，將輸入端31和32中的一個與輸出端33相連接，而將另ー個與輸出端33去耦。在耦合單元的確定的實施形式中，這還能夠被構造為將兩個輸入端31和32均與輸出端33斷開。然而沒有設置將輸入端31和輸入端32均與輸出端33相連接。圖4示出了耦合單元30的第一實施形式，其具有換向開關43，換向開關43原則上能夠僅將兩個輸入端31、32中的一個與輸出端33相連接，而另外一個輸入端31、32與輸出端33去耦。換向開關43能夠特別簡單地實現為電機械開關。圖5示出了耦合單元30的第二實施形式，其中設置了第一開關35和第二開關36。 每個開關連接在輸入端31和32之ー和輸出端33之間。相比于圖4所示的實施形式，這ー實施形式的優點在干，能夠將兩個輸入端31、32均與輸出端33去耦，以使得輸出端33變成高阻。此外，開關35、36能夠簡單地實現為諸如MOSFET或IGBT的半導體開關。半導體開關的優點在于價格便宜并且開關速度快，以使得耦合單元30能夠在短時間內響應于控制信號或控制信號的變化，井能夠實現高的轉換率。圖6A和6B示出了依據本發明的蓄電池模塊40的第二實施形式。多個蓄電池單元41串聯連接在耦合單元30的輸入端之間。然而本發明并不局限于蓄電池単元這樣的串聯連接。也能夠進設置単一的蓄電池単元，或者并聯連接蓄電池単元或者混合串聯-并聯連接蓄電池單元。在圖6A的例子中，耦合單元30的輸出端與第一端子42相連接，且蓄電池單元的負極與第二端子43相連接。然而如在圖6B中的鏡像構造也是可能的，其中蓄電池単元的正極與第一端子42相連接，且耦合単元30的輸出端與第二端子43相連接。圖7示出了依據本發明的蓄電池的第一實施形式，其具有η個蓄電池模塊組50-1至50-η。每個蓄電池模塊組50-1至50-η具有多個蓄電池模塊40，其中優選地每個蓄電池模塊組50-1至50-η包含相同數量的蓄電池模塊40，并且每個蓄電池模塊40包含相同數量的按相同方式連接的蓄電池単元。每個蓄電池模塊組的極能夠與另ー蓄電池模塊組的相應的極相連接，這通過圖7中的虛線示出。一般地，蓄電池模塊組能夠包括大于I的任意數量的蓄電池模塊，并且蓄電池能夠包括任意數量的蓄電池模塊組。如果安全規定需要，蓄電池模塊組的極上還能夠附加地連接負載和分隔裝置以及分隔裝置，如在圖2中設置的。然而依據本發明這樣的分隔裝置并不是必須的，因為通過包含在蓄電池模塊40中的耦合單元30能夠實現將蓄電池単元與蓄電池端子去耦。圖8示出了具有依據本發明的蓄電池的另ー實施形式的驅動系統。在所示出的例子中，蓄電池具有三個蓄電池模塊組50-1、50-2、50-3，其分別直接連接到驅動電機13的輸入端。因為大多數可用的電機被設計為通過三相信號驅動，本發明的蓄電池優選地具有剛好三個蓄電池模塊組。本發明的蓄電池的優點還在干，已將脈沖逆變器的功能集成在蓄電池中。通過控制模塊激活蓄電池模塊組的所有蓄電池模塊40或使蓄電池模塊組的所有蓄電池模塊40失效，在蓄電池模塊組的輸出端有OV或者蓄電池模塊組的全部輸出電壓。通過諸如在脈沖逆變器中例如通過脈沖寬度調制適當地控制，能夠提供用于驅動驅動電機13的適當的相位信號。除了已經提到的優點之外，本發明還具有減少高壓元件、接插連接的數量的優點，并提供了這樣的可能性，將蓄電池的冷卻系統與脈沖逆變器的冷卻系統結合在一起，其中，用于冷卻蓄電池単元的冷卻劑隨后能夠用于冷卻脈沖逆變器(即耦合単元30)的元件，因為通常脈沖逆變器的元件達到的運行溫度較高，并能夠通過已經被蓄電池単元加熱的冷卻劑充分地冷卻。此外可能的是，將蓄電池的控制單元和脈沖逆變器的控制單元結合在一起 并由此節約另外的開銷。耦合單元提供了針對脈沖逆變器和蓄電池的集成的安全構想，并提高整個系統的可靠性和蓄電池的壽命。具有集成的脈沖逆變器的蓄電池的另外的優點在于，其能夠由具有集成的耦合單元的單個蓄電池模塊非常簡單地模塊化地構建。由此能夠使用相同的部件(黑箱原理)。
權利要求
1.ー種用于蓄電池模塊(40)的耦合單元(30)，所述耦合単元(30)包括第一輸入端(31)、第二輸入端(32)和輸出端(33)，其特征在于，所述耦合単元(30)被構造為根據控制信號將所述第一輸入端(31)或所述第二輸入端(32)與所述輸出端(33)相連接。
2.根據權利要求I所述的耦合単元(30)，具有換向開關(34)，其被構造為根據所述控制信號將所述第一輸入端(31)或所述第二輸入端(32)與所述輸出端(33)相連接。
3.根據權利要求I所述的耦合単元(30)，具有第一開關(35)和第二開關(36)，所述第ー開關(35)連接在所述第一輸入端(31)和所述輸出端(33)之間，所述第二開關(36)連接在所述第二輸入端(32)和所述輸出端(33)之間。
4.根據權利要求3所述的耦合単元(30)，其中，所述第一開關(35)和/或所述第二開關(36)被構造為半導體開關，優選地被構造為MOSFET開關或絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)開關。
5.ー種具有根據前述權利要求中任意一項所述的耦合單元(30)的蓄電池模塊(40)，所述蓄電池模塊(40)具有至少ー個蓄電池単元(41)，優選為鋰離子蓄電池単元，所述蓄電池単元(41)連接在所述耦合単元(30)的所述第一輸入端(31)和所述第二輸入端(32)之間，其中所述蓄電池模塊(40)的第一端子(42，41)與所述耦合単元(30)的輸出端(33)相連接，且所述蓄電池模塊(40)的第二端子(41，42)與所述耦合単元(30)的第二輸入端(32)相連接。
6.ー種具有ー個或多個、優選為三個蓄電池模塊組(50)的蓄電池，其中，蓄電池模塊組(50)具有多個串聯連接的、依據權利要求5所述的蓄電池模塊(40)以及控制単元，其被構造為，產生用于所述耦合單元(30)的控制信號并將其輸出至所述耦合単元(30)。
7.根據權利要求6所述的蓄電池，其中，依據權利要求3或4中任意一項構造所述耦合単元(30)，并且其中，所述控制単元被構造為，閉合所選擇的耦合單元(30)的第一開關(35)并斷開所述所選擇的耦合単元(30)的第二開關(36)，或者斷開所述所選擇的耦合單元(30)的第一開關(35)并閉合所述所選擇的耦合単元(30)的第二開關(36)，或者斷開所述所選擇的耦合単元(30)的第一開關和第二開關(35，36)。
8.根據權利要求6或7中任意一項所述的蓄電池，其中，所述控制單元還被構造為，在第一時間點將所選擇的蓄電池模塊組(50)的耦合單元(30)的所有第一輸入端(31)與所述所選擇的蓄電池模塊組(50)的耦合單元(30)的輸出端(33)相連接，并且在第二時間點將所述所選擇的蓄電池模塊組(50)的耦合單元(30)的所有第二輸入端(32)與所述所選擇的蓄電池模塊組(50)的耦合單元(30)的輸出端(33)相連接。
9.根據權利要求6至8中任意一項所述的蓄電池，具有與所述控制単元相連接的傳感器単元，其被構造為，檢測損壞的蓄電池単元(41)并且向所述控制単元示出，其中，所述控制単元被構造為，通過輸出適當的控制信號來使具有損壞的蓄電池単元(41)的蓄電池模塊(40)失效。
10.ー種具有電驅動電機(13)的機動車，所述電驅動電機(13)用于驅動所述機動車，并且所述機動車具有與所述電驅動電機(13)相連接的、根據權利要求6至9中任意ー項所述的蓄電池。
全文摘要
描述了一種用于蓄電池模塊(40)的耦合單元(30)，所述耦合單元(30)包括第一輸入端(31)、第二輸入端(32)和輸出端(33)。依據本發明，所述耦合單元(30)被構造為根據控制信號將所述第一輸入端(31)或所述第二輸入端(32)與所述輸出端(33)相連接。此外實現了一種具有這樣的耦合單元(30)和至少一個蓄電池單元(41)的蓄電池模塊(40)，蓄電池單元(41)連接在耦合單元(30)的第一輸入端(31)和第二輸入端(32)之間。所述蓄電池模塊(40)的第一端子(42)與所述耦合單元(30)的輸出端(33)相連接，且所述蓄電池模塊(40)的第二端子(43)與所述耦合單元(30)的第二輸入端(32)相連接。此外本發明還實現了一種具有一個或多個蓄電池模塊組(50)的蓄電池，其中，蓄電池模塊組(50)具有多個串聯連接的蓄電池模塊(40)。蓄電池具有控制單元，其被構造為，產生用于所述耦合單元(30)的控制信號并將其輸出至所述耦合單元(30)。
文檔編號B60L11/18GK102844958SQ201180019276
公開日2012年12月26日 申請日期2011年2月18日 優先權日2010年4月16日
發明者S·布茨曼, H·芬克 申請人:Sb鋰摩托有限公司, Sb鋰摩托德國有限公司