專利名稱：具有可可變地調節的中間電路電壓的蓄電池系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有可可變地調節的中間電路電壓的蓄電池系統以及一種用于驅動這樣的蓄電池系統的方法。
背景技術：
在未來，不僅在固定的應用中而且在如混合動力和電動車輛的車輛中更多地使用蓄電池系統。為了可以滿足對于相應的應用給出的對電壓和可提供的功率的要求，將多個蓄電池單元串聯連接。因為由這樣的蓄電池提供的電流必須流過所有的蓄電池單元并且蓄電池單元僅可以導通有限的電流，所以經常附加地將蓄電池單元并聯連接，以便提高最大電流。這可以或者通過在蓄電池單元殼體之內設置更多的單元包(Zellwickeln)或者通過外部連接蓄電池單元來實現。在圖1中示出常見的電驅動系統的原理電路圖，電驅動系統應用在諸如電動車輛和混合動力車輛中，或者也應用在靜態應用(例如風力發電裝置的轉動葉片調節)中。蓄電池10連接至直流中間電路，該直流中間電路由電容器11緩沖保護。脈沖逆變器12連接至該直流電壓中間電路，該脈沖逆變器經由兩個可接通的半導體閥和兩個二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一時間段，在該時間段中接通可接通的半導體閥中的一個。在一個實際應用如電動車輛中產生位于mF的范圍中的高電容。圖2在具體的方框電路圖中示出了圖1的蓄電池10。多個蓄電池單元串聯連接，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之間連接了充電和分隔裝置16。可選地，能夠附加地在蓄電池單元的負極和蓄電池負端子15之間連接分隔裝置17。分隔和充電裝置16和分隔裝置17分別包括接觸器18和19，其被設置為用于將蓄電池單元與蓄電池端子分離，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單元的高直流電壓，對維護人員或類似的人將有巨大的危險電勢。在充電和分隔裝置16中附加地設置有充電接觸器20和與充電接觸器20串聯連接的充電電阻21。如果蓄電池連接到直流中間電路，則充電電阻21限制電容器11的充電電流。在此，首先斷開接觸器18，并僅閉合充電接觸器20。如果在蓄電池正端子14上的電壓達到蓄電池單元的電壓，則能夠閉合接觸器19，并且必要時斷開充電接觸器20。接觸器18、19和充電接觸器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。
發明內容
因此，依據本發明提出了一種蓄電池系統，其具有蓄電池、與所述蓄電池連接的直流中間電路、與所述直流中間電路連接的逆變器和與所述逆變器連接的電機。所述直流中間電路包含電容器，并且所述蓄電池包含具有多個串聯連接的蓄電池模塊的蓄電池模塊組和控制單元，每個蓄電池模塊包括耦合單元和至少一個連接在所述耦合單元的第一輸入端與第二輸入端之間的蓄電池單元。所述耦合單元被構造為根據第一控制信號接通在所述蓄電池模塊的第一端子與所述蓄電池模塊的第二端子之間的所述至少一個蓄電池單元，并且根據第二控制信號將所述第一端子與所述第二端子連接。所述控制單元被構造為將所述第一控制信號輸出給所述蓄電池模塊組的可變數量的蓄電池模塊，并且將所述第二控制信號輸出給所述蓄電池模塊組的剩余的蓄電池模塊，并且由此可變地調節所述直流中間電路的電壓。本發明具有的優點在于，直流中間電路的電壓能夠被可變地調節并因此適應于不同的運行情況。通過這種方式能夠在更大程度上獨立于電機的相應的功率對電機的轉矩或轉數進行調節。因此能夠最優地為電機的各個當前運行狀態例如在機動車的驅動系統中對直流中間電路的電壓進行調節。此外，提高了蓄電池系統的可靠性，因為能夠將有故障的蓄電池模塊、也就是其至少一個蓄電池單元是有故障的蓄電池模塊去激活。人們可以將可靠性理解為系統在預定的時間中正確工作的能力。如果將一個蓄電池模塊去激活，那么直流中間電路的最大可能的電壓對于蓄電池系統不再可用。但是這在驅動系統中不會導致整個系統的失靈，而是只導致具有減小了的功率的運行。特別優選的是蓄電池在此直接與直流中間電路連接，也就是說不設有如圖2中所示出的充電和分隔裝置16以及分隔裝置17。充電和分隔裝置16、17必須對應于高要求并且實現了在負載下的蓄電池的安全分離。然而，因為耦合單元已經提供了這樣的分離功能，所以能夠通過相應地操控耦合單元來無電壓地接通蓄電池觸點。出于這個原因，假定沒有維持對這種分隔裝置的要求，因為沒有電分離也實現了整個裝置的期望的安全性。即使在耦合單元中多個半導體開關的有故障的串聯連接(例如由于PN結的擊穿)，也不會導致在蓄電池的連接端上存在不允許的高電壓。在蓄電池系統的一個實施變型中，為了提高蓄電池安全性，蓄電池模塊組的耦合單元中的至少一個能夠被構造為，根據第三控制信號將相應的蓄電池模塊的第一端子與第二端子相互分離并且與至少一個蓄電池單元分離。在此，蓄電池模塊與耦合單元高阻地連接，也就是說，蓄電池模塊的兩極不電氣導通地連接并因此解耦。與上述實施形式相組合能夠進一步提高安全性，因為能夠關閉地連接直至雙倍數量的開關。但是也能夠獨立于安全性方面來實現本發明的實施形式的該特征。該耦合單元能夠具有第一輸出端并且被構造為根據第一控制信號或者將第一輸入端或者將第二輸入端與輸出端連接。在此，輸出端與蓄電池模塊的端子中的一個連接，并且第一或第二輸入端中的一個與蓄電池模塊的端子中的另一個連接。能夠使用僅僅兩個開關、優選如MOSFET或IGBT的半導體開關來實現這樣的耦合單元。備選地，所述耦合元件能夠具有第一輸出端和第二輸出端并且被構造為，根據第一控制信號將第一輸入端與第一輸出端連接并且將第二輸入端與第二輸出端連接。在此，耦合單元還被構造為根據第二控制信號將第一輸入端與第一輸出端分離并且將第二輸入端與第二輸出端分離并且將第一輸出端與第二輸出端相連接。該實施形式需要有些高的開關費用(通常三個開關)，如果蓄電池模塊的蓄電池單元在其兩極上解耦，從而在有威脅的深度放電或蓄電池模塊的損害的情況下能夠無電壓地接通其蓄電池單元并且因此能夠在整個裝置的持續運行中無危險地進行更換。 控制單元能夠包含蓄電池單元診斷單元，其與蓄電池模塊的蓄電池單元相連或可相連。蓄電池單元診斷單元在此被構造為確定蓄電池單元的老化狀態。控制單元被構造為將第二控制信號輸出給如下的蓄電池模塊，對于該蓄電池模塊的蓄電池單元所述蓄電池單元診斷單元已經確定大于預定的最大老化狀態的老化狀態。蓄電池單元診斷單元能夠應用任意已知的診斷方法，以便確定一個蓄電池單元或一組蓄電池單元的老化狀態。因此能夠獲取并分析蓄電池單元的特征參數，如單元電壓、單元溫度、蓄電池電流、單元電壓在負載變化時的動態變化以及類似參數。如果為蓄電池模塊的一個或多個蓄電池單元確定的老化狀態超過了預定的最大老化狀態，則將蓄電池模塊連接為非激活的，并且橋接其輸出端。這能夠有利地應用在蓄電池平衡的范圍內或者用于在深度放電之前對蓄電池單元的保護。特別優選的是，蓄電池單元是鋰離子蓄電池單元。鋰離子蓄電池單元具有在給定的體積中的高單元電壓和高能量含量的優點。本發明的第二方面涉及具有根據第一發明方面所述的蓄電池系統的機動車，其中所述電機被構造為驅動所述機動車。本發明的第三方面提出了一種用于驅動蓄電池系統的方法，所述蓄電池系統具有蓄電池、與所述蓄電池連接的直流中間電路、與所述直流中間電路連接的逆變器和與所述逆變器連接的電機。在此所述蓄電池包含多個蓄電池單元。所述方法至少具有以下步驟:將多個蓄電池單元解耦；橋接所述多個蓄電池單元；以及串聯剩余的蓄電池單元，以便可變地調節所述直流中間電路的電壓。所述方法能夠包含確定所述蓄電池單元的老化狀態和將所述蓄電池單元的老化狀態與預先給定的最大老化狀態進行比較的附加的步驟，其中所述多個蓄電池單元恰好包括這些蓄電池單元，其老化狀態大于所述最大老化狀態。
根據附圖和隨后的說明對本發明的實施例進一步闡明，其中相同的附圖標記表示相同或功能上類似的構件。其中:圖1示出了根據現有技術的電驅動系統；圖2示出了根據現有技術的蓄電池的方框電路圖；圖3示出了用于依據本發明的蓄電池的耦合單元的第一實施形式；圖4示出了耦合單元的第一實施形式的可能的電路技術上的實現；圖5A和5B示出了具有耦合單元的第一實施形式的蓄電池模塊的兩種實施形式；圖6示出了用于依據本發明的蓄電池的耦合單元的第二實施形式；圖7示出了耦合單元的第二實施形式的可能的電路技術上的實現；圖8示出了具有耦合單元的第二實施形式的蓄電池模塊的實施形式；以及圖9示出了用在依據本發明的蓄電池系統中的蓄電池。
具體實施例方式圖3示出了用于依據本發明的蓄電池系統的耦合單元30的第一實施形式。耦合單元30具有兩個輸入端31和32以及輸出端33并且被構造為將輸入端31或32之一與輸出端33連接并且將其中另一個解耦。
圖4示出了耦合單元30的第一實施形式的可能的電路技術上的實現，其中設有第一和第二開關35與36。每個開關35、36連接在輸入端31或32中之一與輸出端33之間。該實施形式提供的優點在于，兩個輸入端31、32都能夠與輸出端33解耦，從而輸出端33是高阻的，這例如在維修或維護的情況下能夠是有用的。此外，能夠將開關35、36簡單地實現為半導體開關，如MOSFET或IGBT。半導體開關具有有利的價格和高的開關速度的優點，從而耦合單元30能夠在短時間內對控制信號或控制信號的變化進行反應。圖5A和5B示出了具有耦合單元30的第一實施形式的蓄電池模塊40的兩種實施形式。多個蓄電池單元11串聯連接在耦合單元30的輸入端之間。然而本發明并不限于蓄電池單元11的這種串聯連接，也能夠僅設有單個蓄電池單元11或設有蓄電池單元11的并聯連接或混合串并聯連接。在圖5A的例子中耦合單元30的輸出端與第一端子41連接而蓄電池單元11的負極與第二端子42連接。然而，如在圖5B中的幾乎對稱的設置也是可能的，其中蓄電池單元11的正極與第一端子41連接而耦合單元30的輸出端與第二端子42連接。圖6示出了用于依據本發明的蓄電池系統的耦合單元50的第二實施形式。耦合單元50具有兩個輸入端51和52以及兩個輸出端53和54。其被構造為，或者將第一輸入端51與第一輸出端53連接以及將第二輸入端52與第二輸出端54連接(并且將第一輸出端53與第二輸出端54解耦)，或者將第一輸出端53與第二輸出端54連接(并且在此將輸入端51與52解耦)。此外，在耦合單元50的確定的實施形式中這還能夠被構造為將兩個輸入端51、52與輸出端53、54分離并且也將第一輸出端53與第二輸出端54解f禹。然而并不設定，將第一輸入端51與第二輸入端52連接。圖7示出了耦合單元50的第二實施形式的可能的電路技術上的實現，其中設有第一、第二和第三開關55、56和57。第一開關55連接在第一輸入端51與第一輸出端53之間，第二開關56連接在第二輸入端52與第二輸出端54之間并且第三開關57連接在第一輸出端53與第二輸出端54之間。該實施形式同樣提供了以下優點，亦即開關55、56和57能夠簡單地實現為半導體開關，例如MOSFET或IGBT。半導體開關具有有利的價格和高的開關速度的優點，從而耦合單元50可以在短時間內對控制信號或控制信號的變化進行反應。圖8示出了具有耦合單元50的第二實施形式的蓄電池模塊60的實施形式。多個蓄電池單元11串聯連接在耦合單元50的輸入端之間。蓄電池模塊60的該實施形式并不限于蓄電池單元11的這樣的串聯連接，也可以僅設有一個蓄電池單元11或設有蓄電池單元11的并聯連接或混合的串聯并聯連接。耦合單元50的第一輸出端與第一端子61連接，而耦合單元40的第二輸出端與第二端子62連接。相對于圖5A和5B的蓄電池模塊40，蓄電池模塊60具有的優點在于，蓄電池單元11能夠通過耦合單元50與剩余的蓄電池雙側地解耦，這實現了在連續的運行中無危險的更換，因為蓄電池單元11的電極上都不具有蓄電池的剩余的蓄電池模塊的危險的高的總電壓。圖9示出了依據本發明的蓄電池系統的蓄電池的實施形式。蓄電池具有帶有多個蓄電池模塊40或60的蓄電池模塊組70,其中優選地每個蓄電池模塊40或60包含以相同方式連接的相同數目的蓄電池單元11。通常，蓄電池模塊組70能夠包含大于I的蓄電池模塊40或60的數量。而且，如果安全條例需要這樣，則在蓄電池模塊組70的電極上附加地設有如在圖2中的充電和分隔裝置以及分隔裝置。自然這樣的分隔裝置依據本發明是不必要的，因為蓄電池單元11與蓄電池連接端的解耦能夠通過包含在蓄電池模塊40或60中的耦合單元30或50來實現。除了已經提到的優點以外，本發明還具有另外的優點，即其能夠非常簡單地模塊化地由具有集成的耦合單元的單個的蓄電池模塊構成。由此通用件(模塊設計原理)的使用是可能的。
權利要求
1.一種蓄電池系統，其具有蓄電池、與所述蓄電池連接的直流中間電路、與所述直流中間電路連接的逆變器和與所述逆變器連接的電機，其中，所述直流中間電路包含電容器，并且所述蓄電池包含具有多個串聯連接的蓄電池模塊(40、60)的蓄電池模塊組(70)和控制單元，每個蓄電池模塊(40、60)包括耦合單元(30、50)和至少一個連接在所述耦合單元(30,50)的第一輸入端(31、51)與第二輸入端(32、52)之間的蓄電池單元(11)，并且其中所述耦合單元(30、50)被構造為根據第一控制信號接通在所述蓄電池模塊(40、60)的第一端子(41、61)與所述蓄電池模塊(40、60)的第二端子(42、62)之間的所述至少一個蓄電池單元(11)，并且根據第二控制信號將所述第一端子(41、61)與所述第二端子(42、62)連接，其特征在于，所述控制單元被構造為將所述第一控制信號輸出給所述蓄電池模塊組(70)的可變數量的蓄電池模塊(40、60)，并且將所述第二控制信號輸出給所述蓄電池模塊組(70)的剩余的蓄電池模塊(40、60)，并且由此可變地調節所述直流中間電路的電壓。
2.根據權利要求1所述的蓄電池系統，其中，所述蓄電池直接與所述直流中間電路連接。
3.根據權利要求1或2所述的蓄電池系統，其中，所述蓄電池模塊組(70)的所述耦合單元(30、50)中的至少一個被構造為根據第三控制信號將相應的蓄電池模塊(40、60)的所述第一端子(41、61)與所述第二端子(42、62)相互分離并且與所述至少一個蓄電池單元(11)分離。
4.根據上述權利要求中任一項所述的蓄電池系統，其中，所述耦合單元(30)具有第一輸出端(33)并且被構造為根 據所述第一控制信號將所述第一輸入端(31)或者將所述第二輸入端(32)與所述第一輸出端(33)連接。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的蓄電池系統，其中，所述耦合單元(50)具有第一輸出端(53)和第二輸出端(54),并且被構造為根據所述第一控制信號將所述第一輸入端(51)與所述第一輸出端(53)相連以及將所述第二輸入端(52)與所述第二輸出端(54)相連，并且根據所述第二控制信號將所述第一輸入端(51)與所述第一輸出端(53)分離以及將所述第二輸入端(52)與所述第二輸出端(54)分離并且將所述第一輸出端(53)與所述第二輸出端(54)相連接。
6.根據上述權利要求中任一項所述的蓄電池系統，其中，所述控制單元包含蓄電池單元診斷單元，其與所述蓄電池模塊(40、60)的所述蓄電池單元(11)相連或可相連，并且被構造為確定所述蓄電池單元(11)的老化狀態，其中所述控制單元被構造為將所述第二控制信號輸出給如下蓄電池模塊(40、60)，對于該蓄電池模塊的蓄電池單元(11)，所述蓄電池單元診斷單元已經確定了大于預定的最大老化狀態的老化狀態。
7.根據上述權利要求中任一項所述的蓄電池系統，其中，所述蓄電池單元(11)是鋰離子蓄電池單元。
8.—種機動車，其具有根據上述權利要求中任一項所述的蓄電池系統，其中，所述電機被構造為驅動所述機動車。
9.一種用于驅動蓄電池系統的方法，所述蓄電池系統具有蓄電池、與所述蓄電池連接的直流中間電路、與所述直流中間電路連接的逆變器和與所述逆變器連接的電機，其中，所述蓄電池包含多個蓄電池單元(11)，所述方法具有以下步驟: 將多個蓄電池單元(11)解耦；橋接所述多個蓄電池單元(11);以及 串聯剩余的蓄電池單元(11)，以便可變地調節所述直流中間電路的電壓。
10.根據上述權利要求中任一項所述的方法，其具有確定所述蓄電池單元(11)的老化狀態和將所述蓄電池單元(11)的所述老化狀態與預先給定的最大老化狀態進行比較的附加的步驟，其中，所述多個蓄電池單元(11)恰好包括這些蓄電池單元(11)，其老化狀態大于所述最大老化狀態。
全文摘要
本發明提出了一種蓄電池系統，其具有蓄電池、與所述蓄電池連接的直流中間電路、與所述直流中間電路連接的逆變器和與所述逆變器連接的電機。所述直流中間電路包含電容器，并且所述蓄電池包含具有多個串聯連接的蓄電池模塊(40、60)的蓄電池模塊組(70)和控制單元，每個蓄電池模塊(40、60)包括耦合單元(30、50)和至少一個連接在所述耦合單元(30、50)的第一輸入端(31、51)與第二輸入端(32、52)之間的蓄電池單元(11)。所述耦合單元(30、50)被構造為根據第一控制信號接通在所述蓄電池模塊(40、60)的第一端子(41、61)與所述蓄電池模塊(40、60)的第二端子(42、62)之間的所述至少一個蓄電池單元(11)并且根據第二控制信號將所述第一端子(41、61)與所述第二端子(42、62)連接。所述控制單元被構造為將所述第一控制信號輸出給所述蓄電池模塊組(70)的可變數量的蓄電池模塊(40、60)并且將所述第二控制信號輸出給所述蓄電池模塊組(70)的剩余的蓄電池模塊(40、60)并且由此可變地調節所述直流中間電路的電壓。除此之外本發明還涉及用于驅動這樣的蓄電池系統的方法。
文檔編號H02J7/00GK103153687SQ201180044948
公開日2013年6月12日 申請日期2011年9月7日 優先權日2010年9月20日
發明者S·布茨曼, H·芬克 申請人:羅伯特·博世有限公司, 三星Sdi株式會社