改進的雙蓄電池組件的制作方法

本發明涉及一種改進的雙蓄電池組件，其包括對于高的電容量進行優化的電池單元和對于高的功率輸出進行優化的電池單元。

背景技術：

為了在車輛內電化學蓄能器中的功率縮放，將電容量優化的蓄電池單元和功率優化的蓄電池單元或雙層電容器混合安裝在蓄電池組件中，這在現有技術中也稱為雙儲存器。通常，一串或多串電容量優化的電池單元并聯于一串或多串功率優化的電池單元。這些串通常借助直流/直流變換器耦合，該直流/直流變換器與所述串并聯連接。直流/直流變換器補償在各串之間的不同電壓。

de202009017862u1和de202008017499u1描述了電池的并聯電路。

現有技術的缺點在于，直流/直流變換器必須針對所連接串的最大峰值功率進行設計。這種類型的直流/直流變換器是復雜的并且導致高的成本。

技術實現要素：

本發明的任務在于提供一種改進的蓄電池組件，其包括對于電流輸出優化的電池單元和在電容量方面最大化的電池單元。

本發明的任務通過包括第一數量的串聯的第一電荷儲存單元、第二數量的串聯的第二電荷儲存單元和第三數量的串聯的第三電荷儲存單元的蓄電池組件來解決。根據本發明，所述蓄電池組件包括第一變換器，在該第一變換器的第一端子對上連接所述第三數量的串聯的第三電荷儲存單元。第一變換器的第二端子對與所述第一數量的串聯的第一電荷儲存單元串聯連接。由所述第一數量的第一電荷儲存單元和第一變換器構成的串聯電路與所述第二數量的第二電荷儲存單元并聯連接。第一變換器構造用于變換由所述第三數量的串聯的電荷儲存單元輸出的電壓和/或由所述第三數量的串聯的電荷儲存單元輸出的電流并且將其在第二端子對上輸出。所述第二數量的串聯的第二電池單元的最低電位構成蓄電池組件的第一端子，所述第二數量的串聯的第二電池單元的最高電位構成蓄電池組件的第二端子。

蓄電池組件可例如通過接觸器連接到逆變器上，在該逆變器上可連接有電機。

根據本發明，第一變換器——其可代替現有技術中的直流/直流變換器——并非與整個電池單元串并聯連接，而是僅與串聯的電荷儲存單元串的一部分并聯連接。因此，第一變換器無須針對最大峰值功率進行設計，而是僅須針對部分峰值功率進行設計，該部分峰值功率可借助于蓄電池組件的第三電荷儲存單元輸出。

蓄電池組件還可包括第二變換器，該第二變換器的第一端子對連接到電源、尤其是第二數量的第二電荷儲存單元上，并且該第二變換器的第二端子對連接到第三數量的第三電荷儲存單元上。第二變換器構造用于將電荷由電源、尤其是第二數量的第二電荷儲存單元傳輸到第三數量的第三電荷儲存單元。借助于第二變換器可對第三電荷儲存單元充電和/或放電。電源可以是處于發電機運行中的電機、任意的充電器或電化學蓄能器。

蓄電池組件可包括第三變換器和第四數量的串聯的第四電荷儲存單元，所述第四電荷儲存單元連接到第三變換器的第一端子對上。第三變換器的第二端子對與第二數量的第二電荷儲存單元串聯連接。第三變換器構造用于變換由第四數量的串聯的電荷儲存單元輸出的電壓和/或由第四數量的串聯的第四電荷儲存單元輸出的電流并且將其在第三變換器的第二端子對上輸出。借助于第一變換器可調節：是從第一數量的串聯的第一電荷儲存單元和第三數量的串聯的第三電荷儲存單元輸出更多電荷，還是從第二數量的串聯的第二電荷儲存單元輸出更多電荷。借助于第三變換器可調節通過第二數量的串聯的第二電荷儲存單元和第四數量的串聯的第四電荷儲存單元產生的電壓。由此可調節中間電路電壓，該中間電路電壓存在于蓄電池組件的第一端子和第二端子之間。通過所獲得的可調節的中間電路電壓的自由度，驅動系統可以有效系數優化地運行并且還可擴大電機的電樞調節范圍(ankerstellbereich)。

蓄電池組件還可包括控制裝置，該控制裝置構造用于當連接到蓄電池組件上的機器在預定的時間段上在動態運行狀態中比在靜態運行狀態中具有更高的電流消耗時這樣控制第一變換器，使得電荷由第一數量的串聯的第一電荷儲存單元和第三數量的串聯的第三電荷儲存單元輸出。控制裝置也可構造用于當電機在預定的時間段上具有恒定的電流消耗時這樣控制第一變換器，使得電荷僅由第二數量的串聯的第二電荷儲存單元輸出。該運行情況在如下情況下是重要的：第二電池單元設計成使得它們具有盡可能高的電容量并且第一和第三電池單元設計用于盡可能高的電流輸出。動態運行狀態可以是在預定的時間段上提高的轉矩輸出、例如車輛加速。

在動態運行情況下，電荷可由第一數量的串聯的第一電荷儲存單元、第二數量的串聯的第二電荷儲存單元和第三數量的串聯的第三電荷儲存單元輸出。

控制裝置可構造用于當電機在預定的時間段上在動態運行狀態中比在靜態運行狀態中具有更高的電流消耗時這樣控制第一變換器，使得第一變換器和第一數量的第一電荷儲存單元的輸出電壓之和高于第二數量的串聯的第二電荷儲存單元的空載電壓。當電機在預定的時間段上例如在靜態運行狀態中具有恒定的功率消耗時，控制裝置可這樣控制第一變換器，使得第一變換器和第一數量的第一電荷儲存單元的輸出電壓之和低于第二數量的第二電荷儲存單元的空載電壓。

控制裝置也可構造用于當電機在動態運行狀態中在預定的時間段上具有較高的電流消耗時這樣控制第一變換器，使得電荷由第二數量的串聯的第二電荷儲存單元輸出。當在預定的時間段上實現恒定的功率消耗時，第一變換器可被控制裝置這樣控制，使得電荷僅由第一數量的串聯的第一電荷儲存單元和第三數量的串聯的第三電荷儲存單元輸出。該運行情況在如下情況下是重要的：第二電荷儲存單元設計用于盡可能高的電流輸出并且第一和第三電荷儲存單元設計用于盡可能高的電容量。當然，在動態運行狀態期間電荷可由第一數量的第一電荷儲存單元、第二數量的第二電荷儲存單元和第三數量的第三電荷儲存單元輸出。

控制裝置可構造用于當電機在預定的時間段上在動態運行狀態期間具有較高的電流消耗時這樣控制第一變換器，使得第一變換器和第一數量的串聯的第一電荷儲存單元的輸出電壓之和高于第二數量的串聯的第二電荷儲存單元的空載電壓。當電機在預定的時間段上在靜態運行狀態中具有恒定的功率消耗時，控制裝置可這樣控制第一變換器，使得第一變換器和第一數量的第一電荷儲存單元的輸出電壓之和低于第二數量的第二電荷儲存單元的空載電壓。

控制裝置可構造用于當連接在蓄電池組件上的電機在預定的時間段上具有較高的電流消耗時這樣控制第三變換器，使得電荷由第一數量的串聯的第一電荷儲存單元輸出，并且當電機在預定的時間段上具有恒定的電流消耗時這樣控制第三變換器，使得電荷由第二數量的串聯的第二電荷儲存單元和第四數量的串聯的第四電荷儲存單元輸出。該運行情況在如下情況下是重要的：第一和第三電荷儲存單元對于盡可能高的電流輸出進行優化，并且第二和第四電荷儲存單元對于盡可能高的電容量進行優化。

控制裝置可構造用于這樣控制第二變換器，使得電荷由第二數量的第二電荷儲存單元輸出并供應給第三數量的第三電荷儲存單元。因此，控制裝置可控制第三數量的串聯的第三電荷儲存單元的補充充電。

與第二電荷儲存單元和第四電荷儲存單元相比，第一電荷儲存單元和第三電荷儲存單元設計或優化用于較高的電流輸出或較短暫的電流輸出。與第一電荷儲存單元和第三電荷儲存單元相比，第二電荷儲存單元和第四電荷儲存單元可設計或優化用于較高的電容量。第一電荷儲存單元和第三電荷儲存單元可具有電容器、如所謂的超級電容器(supercup)、雙層電容器或類似物。第二電荷儲存單元和第四電荷儲存單元可具有蓄電池、如鋰離子蓄電池或類似物。

第三電荷儲存單元的數量比第一電荷儲存單元的數量少大約25％、優選少大約20％、最優選少大約10％。由此，第一變換器無須設計得那么大功率，由此該第一變換器可更低成本地制造并且在車輛或蓄電池組件中需要更少的安裝空間。

本發明還涉及一種用于車輛的驅動系統，該驅動系統具有電驅動裝置，該電驅動裝置包括上面所描述的蓄電池組件、逆變器和電機，蓄電池組件的形成中間電路電壓的端子通過接觸器連接到逆變器的直流端子上并且電機連接到逆變器的交流端子上。電機可用作驅動馬達和/或發電機。

控制裝置可構造用于其在發電機運行中這樣操控第二變換器，使得該控制裝置在為設計用于較高電容量的電荷儲存單元充電之前先為設計用于較高電流輸出的電荷儲存單元充電。控制裝置可這樣設計，使得其優選為第一數量的串聯的第一電荷儲存單元和第三數量的串聯的第三電荷儲存單元充電。

當然，控制裝置構造用于這樣操控第一變換器，使得當電機應輸出轉矩時同時從第一數量的串聯的第一電荷儲存單元、第三數量的串聯的第三電荷儲存單元和第二數量的第二電荷儲存單元輸出能量，或者當電機應作為發電機工作時向這些電荷儲存單元供應能量。尤其是在高負載情況下，電荷由第一數量的串聯的第一電荷儲存單元、第二數量的串聯的第二電荷儲存單元和第三數量的串聯的第三電荷儲存單元同時輸出。在部分負載情況下電荷僅由第二數量的串聯的第二電荷儲存單元輸出。

優選地，第一電荷儲存單元和第三電荷儲存單元設計或優化用于較高的電流輸出。由此可降低在持續運行中可能通過第一變換器產生的蓄電池組件或驅動系統的損耗。

附圖說明

現在參考附圖借助于非限制性的實施方式闡述本發明。在附圖中：

圖1示出本發明的第一種實施方式的電路圖；

圖2示出本發明的第一種實施方式的布線細節；

圖3示出本發明的第一種實施方式的其它布線細節；

圖4示出本發明的第一種實施方式的擴展方案；

圖5示出本發明的第二種實施方式；

圖6示出本發明的第三種實施方式；以及

圖7示出現有技術的蓄電池組件。

具體實施方式

圖7示出現有技術的蓄電池組件1，該蓄電池組件具有輸出端子14，在這些輸出端子上連接有逆變器12，在該逆變器的交流端子16上連接有電機18。現有技術的蓄電池組件1包括第一電荷儲存單元4、如電容器的第一串聯電路2，這些第一電荷儲存單元設計用于高的電流輸出。第一電荷儲存單元4的第一串聯電路2連接到直流/直流變換器10上，該直流/直流變換器連接到第二電荷儲存單元8的第二串聯電路6上，這些第二電荷儲存單元針對高的電容量進行優化。第二電荷儲存單元8例如可以是鋰離子電池。第二電荷儲存單元8的第二串聯電路6形成中間電路電壓并且連接到逆變器12的直流側的輸入端14上。

直流/直流變換器10必須這樣設計，使得其能變換可由第一電荷儲存單元的第一串聯電路2輸出的所有功率，由此該直流/直流變換器制造成本高并具有高的空間需求。

參照圖1對按本發明的蓄電池組件100的第一種實施方式進行說明。蓄電池組件100包括多個第一電荷儲存單元104的第一串聯電路102。第一直流/直流變換器110的輸出端子與第一串聯電路104串聯連接。在第一直流/直流變換器110的輸入端子上連接有第三數量108的第三電荷儲存單元106。蓄電池組件100還包括第二數量112的第二電荷儲存單元114。第二數量112的第二電荷儲存單元114與由第一直流/直流變換器110和第一電荷儲存單元的第一串聯電路102構成的串聯電路并聯連接。第二電荷儲存單元114的第二串聯電路112的輸出電壓形成所謂的中間電路電壓，該第二串聯電路連接到逆變器118的直流端子116上，該逆變器的輸出端子120連接到電機122上。

第二電荷儲存單元114設計用于高的電容量并且例如由鋰離子電池構成。第一電荷儲存單元104和第三電荷儲存單元108設計用于快速的和高的電流輸出并且例如由電容器構成。

在圖1中所示的蓄電池組件100中，第二串聯電路112包括96個第二電荷儲存單元114。第一串聯電路102包括80個第一電荷儲存單元104。第三電荷儲存單元108的第三串聯電路106包括16個電荷儲存單元。因此，僅16個第三電荷儲存單元108連接到第一直流/直流變換器110上。因此，與在圖7中所示的現有技術相比，在第一直流/直流變換器110的輸入端子上僅存在六分之一電壓。因此，第一直流/直流變換器110可設計得明顯弱于現有技術中所需的。由此，一方面降低了按本發明的蓄電池組件110的制造成本并且另一方面也改善了效率，因為具有較低的施加于其上的電壓的直流/直流變換器110具有通常較低的絕對損耗功率，由此，蓄電池組件100的有效功率因此也得以提高。此外降低了空間需求。

現在參考圖2和3更詳細地說明第一種實施方式的作用方式。圖1的第二串聯電路112通過由直流電源103a和串聯于其中的內電阻103b構成的等效電路圖103替換。第一串聯電路102產生大小為328v的電壓。第三電荷儲存單元108的第三串聯電路106產生66v的輸入電壓。當不應從第一電荷儲存單元104和第二電荷儲存單元108輸出電流時(例如因為車輛以恒定速度運動并且電機不需要功率)，第一直流/直流變換器110必須補償360v－328v＝32v的電壓差。因此，在第一直流/直流變換器的輸出端子上存在32v的輸出電壓。

圖3示出這樣的狀態，在其中應通過第一電荷儲存單元的第一串聯電路102以及通過第一直流/直流變換器110輸出電流i1。為此，在第一直流/直流變換器110的輸出端子上必須存在33v的電壓u1。在圖3中所示的狀態中第三數量106的第三電荷儲存單元108的電壓是66v。在第三數量的第三電荷儲存單元108中的電流i2按如下方式計算：

其中，η是第一直流/直流變換器的有效系數。

因此，在第三數量106的第三電荷儲存單元108中流動的電流i2取決于第一直流/直流變換器的有效系數η。因此，第一電荷儲存單元104的第一串聯電路102的充電狀態不同于第三電荷儲存單元108的第三串聯電路106的充電狀態。由此，第三電荷儲存單元108的第三串聯電路106必須與第一電荷儲存單元104的第一串聯電路102分開地充電。

參考示出了本發明的第二種實施方式的圖4，該第二種實施方式大致相應于在圖1至3中所示的第一種實施方式。為了簡明起見，下面僅對第二種實施方式附加于第一種實施方式所包含的部件進行說明。按本發明的蓄電池組件100'的第二種實施方式附加于第一種實施方式包括第二直流/直流變換器130，該第二直流/直流變換器的輸出端子連接到第三電荷儲存單元108的第三串聯電路106上。第二直流/直流變換器130的輸入端子連接到第二儲存單元114的第二串聯電路112上。借助于第二直流/直流變換器130可與第一電荷儲存單元104的第一串聯電路102的充電狀態無關地改變第三電荷儲存單元108的第三串聯電路106的充電狀態。由此可使第三電荷儲存單元108的第三串聯電路106的充電狀態與第一電荷儲存單元104的第一串聯電路的充電狀態對稱。由此可簡化并改善按本發明的蓄電池組件100'的作用方式和操控。本發明的發明人以此為出發點：所需要的對稱電流ibal相對低，因為只需補償在電池系統中的部分損耗并且電池系統或第二直流/直流變換器通常具有高的有效系數。因此，與直流/直流變換器110相比，第二直流/直流變換器130只需具有相對低的有效功率。

圖5示出本發明的第三種實施方式，其大致示出與參考圖1至3說明的本發明第一種實施方式相同的構件。第一電荷儲存單元104的第一串聯電路102不通過第一直流/直流變換器110連接到中間電路上并且因而連接到逆變器118上。與第一種實施方式相反，按本發明的蓄電池組件100”的第二種實施方式僅具有第三直流/直流變換器140，該第三直流/直流變換器的輸出端子與第二電荷儲存單元114的第二串聯電路112串聯連接。在第三直流/直流變換器140的輸入端子上連接有第四電荷儲存單元144的第四串聯電路142。

如上所述，第一電荷儲存單元104設計或優化用于快速的且高的電流輸出并且例如由電容器構成。第二電荷儲存單元114和第四電荷儲存單元144設計用于持久的電流輸出并且由蓄電池、如鋰離子蓄電池構成。

第三種實施方式的優點在于，可特別快速且無損耗地提供第一電荷儲存單元104的功率。

參考圖6，該圖6示出按本發明的蓄電池組件100”'的第四種實施方式，該第四種實施方式大致是參考圖1至3說明的本發明第一種實施方式和參考圖5說明的第二種實施方式的組合。蓄電池組件100”'的第三種實施方式的輸出端子——其形成逆變器118的中間電路電壓——連接到由第一直流/直流變換器110和第一電荷儲存單元104的第一串聯電路102構成的串聯電路上并且并聯于由第三直流/直流變換器140和第二電荷儲存單元114的第二串聯電路112構成的串聯電路。在第一直流/直流變換器110的輸入端子上連接有第三電荷儲存單元108的第三串聯電路106。在第三直流/直流變換器的輸入端子上連接有第三電荷儲存單元144的第三串聯電路142。

第一電荷儲存單元104和第三電荷儲存單元108可優化用于快速的且高的電流輸出并且例如由電容器構成。第二電荷儲存單元114和第四電荷儲存單元144可優化用于盡可能高的電容量并且例如通過蓄電池構成。該實施方式也可包括第二直流/直流變換器130，以便使所述電荷儲存單元對稱。

根據本發明，僅一個電池單元串的部分電池單元借助于直流/直流變換器與另一電池單元串并聯連接。直流/直流變換器和連接到其上的部分串的電池單元可被稱為電流閥，該電流閥控制何時從并聯連接的哪個串中輸出電荷。本發明的優點在于，直流/直流變換器無須設計得很高功率，由此可降低費用、安裝空間以及損耗功率。