用于提供電壓的、具有串聯的組變流器的裝置和驅動布置的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于提供電壓的裝置，具有用于提供電池系統電壓的電池系統，其中，所述電池系統至少包括兩個串聯連接的電池子模塊，其中，在電池子模塊的每個上施加有電池子模塊電壓，并且具有至少兩個與電池系統電連接的變壓模塊，其中，在變壓模塊的每個上都施加有電池系統電壓的一個分電壓，利用電池系統電壓能夠為可連接在相應的變壓模塊上的耗電件供電。本發明此外還涉及一種驅動布置。
【背景技術】
[0002]用于提供電壓的裝置通常包括電能存儲器，其例如可以構造成電池系統。這類電池系統可以用于為耗電件(例如電機)供應能量。這種電機例如可以布置在機動車內，并且用于驅動機動車。但是電能存儲器也可以用作電能的中間存儲器。在這里，電能由電機在發電機運行狀態下提供，并且中間存儲在電能存儲器中。這種電能存儲器例如由風力發電設備或混合動力汽車中公知。
[0003]在上述的應用可能性中，電池系統通常實現為高壓電池，高壓電池提供高電壓作為電池系統電壓。高電壓在這里要理解為大于60伏的、特別是大于120伏的電壓。在這種電能存儲器上可以連接一個或多個耗電件，這些耗電件由電池供應電能。因為由電池提供的電壓不是同等地適用于所有的耗電件，所以電池的電能通常經由一個或多個電壓轉換器傳輸給這個或這些耗電件。
[0004]由EP 2 608 397 A1中公知這樣一種電路布置，其中，電功率從輸出直流電壓的功率源傳輸到至少兩個串聯連接的子模塊上。
[0005]額外地，在圖1中示出了根據現有技術的電路布置。在這里，具有內電阻R:的電池系統10經由具有寄生電感。的供電導線與變壓模塊20上的串聯電路相連。在每個變壓模塊20上都分別連接著一個耗電件或電組件30。
[0006]電池系統10提供電池系統電壓Us，電池系統電壓經由電感L提供給變壓模塊20，。電池系統電壓Us劃分到這些變壓模塊20上，使得每個變壓模塊20上都有電池系統電壓Us的一個分電壓UT。電池系統電壓Us于是串聯地劃分到多個變壓模塊30上，其中，變壓模塊20在串聯電路中連接在電池系統10上。相應的分電壓叫于是與連接著的變壓模塊20的數量有關，并且通過變壓模塊20的數量縮放。落在變壓模塊20上的分電壓叫通過變壓模塊30被轉換成適用于電組件30的電壓。
[0007]根據圖1和現有技術的電路布置的缺點是，僅僅通過串聯連接的、并且主要是同類的變壓模塊20的數量完成對每個單獨的變壓模塊20的分電壓Ut的縮放，這對電路布置的使用可能性的范圍帶來局限。
[0008]此外不利的是，利用根據現有技術的電路布置不可能讓電池系統10同時作為源和匯點運行。也就是說，例如不可能的是，利用個別的變壓模塊20提供發電機運行，此時，能量被反饋到電池中，并且同時利用其余的變壓模塊20提供電機運行，此時，可以為連接在變壓模塊上的耗電件供應電能。
[0009]根據現有技術的電路布置的另一個重要缺點是，每個變壓模塊20的功率輸出必須幾乎相同。為此，相互串聯地電耦聯的變壓模塊20通常一致地實現。在這里，每個變壓模塊20都設計給一個特定的分電壓，也成為中間回路電壓。在某個變壓模塊20中的最大允許的中間回路電壓被超過時，這個變壓模塊被摧毀。總是當單個的變壓模塊20的功率輸出(電機運行)或功率接收(發電機運行)的差別變得非常大時，每個子模塊的最大允許中間回路電壓被超過。也就是說，當單個的變壓模塊20的匯點或源相互之間偏差太大時，單個的變壓模塊20的中間回路電壓不再能夠被調節。
[0010]現有技術的其他缺點是基于當今對電池的尺寸限制產生的。電池系統或者電池系或者能量存儲模塊通常由前后連接的電池模塊構成，這些電池模塊通常包括串聯和/或并聯連接的電池單元。電池模塊在串聯電路中總是必須被加載或釋放相同的電流。這是由此決定的，即，單個的電池模塊不靈活地串聯連接形成具有較高電壓的系統，也就是形成能量存儲模塊，并且只能調用整個能量存儲模塊。只有穿流過整個能量存儲模塊的電流在這里可以被調節。電池系統電壓與串聯連接的電池模塊的數量成比例。因此，高的電池系統電壓需要數量大的串聯連接的電池模塊或電池單元，并且由此加大了電池最佳設計的難度，這可能導致電池尺寸過大并且額外地增加電池成本和系統復雜性。此外，通過串聯電路還提高了對電池管理系統(BMS)、安全性和能量存儲器模塊設計的要求，這又會提高成本。
[0011]在另一方面，純粹地并聯連接電池模塊要求在低的電池系統電壓下運行，然而，低的電池系統電壓在高功率下導致電池電流很大，從而導致電池和耗電件之間有過高的損耗功率。實現過程在技術上耗時耗力并且成本昂貴。此外，這里也沒有消除縮放效應。電池模塊還是一個大且復雜的整體系統。通過純粹地并聯連接電池模塊不會增加冗余，從而不會提升系統的可能的故障容忍度。
【發明內容】
[0012]本發明的任務是，以特別低成本且效率最優化的方式通過電能存儲器為一個或多個電組件提供電能，并且同時實現一個冗余的系統，這個系統能夠特別靈活地適應電組件的功率要求。
[0013]該任務根據本發明通過一種用于提供電壓的裝置以及驅動布置得以解決。
[0014]根據本發明的裝置用于提供電壓。該裝置包括用于提供電池系統電壓的電池系統，其中，電池系統包括至少兩個串聯連接的電池子模塊，其中，在電池子模塊的每個上施加有電池子模塊電壓。所述裝置此外還包括至少兩個變壓模塊，它們與電池系統電連接，其中，在變壓模塊的每個上都施加有電池系統電壓的分電壓，利用電池系統電壓能夠為可連接在相應的變壓模塊上的電組件供電，其中，各一個變壓模塊與電池子模塊電連接，從而在變壓模塊的每個上施加有電池子模塊電壓作為分電壓。
[0015]在所述裝置中，各一個電池子模塊和與這個電池子模塊電連接的變壓模塊構成子模塊。現在施加在變壓模塊上的分電壓在這里不再經由連接在電池系統上的變壓模塊的數量縮放。在每個子模塊中，施加在變壓模塊上的電壓由連接著的電池子模塊決定。每個子模塊于是構成一個單獨的、模塊式的電壓供應裝置。從中得出以下優點，即，所述裝置特別可靠地實現為具有高的可支配性。在變壓模塊或電池子模塊、也就是單個的子模塊失效時，留下的變壓模塊能夠與相應的電池子模塊組合起來，也就是留下的子模塊，毫無問題地繼續運行，并且為至少一個連接的電組件提供能量。此外，根據本發明的裝置可以任意地在功率上被縮放，因為用于增加功率的裝置可以增加其他的子模塊，而同時不會影響已經存在的子模塊，特別是子模塊的電池子模塊電壓。于是，利用該裝置可以實現成本低的、效率最優化的、冗余的并且靈活的電壓供應系統。
[0016]在一種實施方式中設計的是，每個電池子模塊包括至少一個電池單元，或者包括多個電池單元的串聯電路和/或并聯電路。于是，每個電池分模可以提供不同于另一個電池子模塊的電壓，并且因此縮放電池系統電壓。每個單個的電池子模塊于是可以如下地確定尺寸，即，連接著的變壓模塊可以在效率最佳的狀態下運行。于是，子模塊可以實現為具有不同的電壓等級，并且相互獨立地承擔負載。從而也不必需要中央調節系統來確保分電壓均勻地適應相應的變壓模塊。
[0017]特別優選的是，所述裝置包括至少一個開關裝置，這個開關裝置布置在兩個電池子模塊之間，用于電連接和/或電分離電池子模塊。當電池子模塊經由開關裝置相互電連接，就可以實現子模塊的串聯連接。但是，如果在子模塊之間出現意外的電干擾，電池子模塊、從而子模塊，也可以相互電鍍隔離。由于單個的電池子模塊在運行時能夠相互電鍍隔離，所以根據本發明的裝置可以在空間上特別靈活地布置。
[0018]可以設計的是，變壓模塊具有至少一個變壓元件，變壓元件具有升壓變流器和/或降壓變流器。升壓變流器和降壓變流器一般被稱為同步轉換器，它們是直流電壓轉換器。升壓變流器將輸入端一側的電壓轉換成輸出端一側的電壓，輸出端一側的電壓絕對值大于輸入端一側的電壓的絕對值。降壓變流器將輸入端一側的電壓轉換成輸出端一側的電壓，輸出端一側的電壓絕對值小于輸入端一側的電壓的絕對值。特別是每個變壓元件都可以為每個子模塊根據需求構造，并且為特定的、適應子模塊的功率要求而實現。于是，每個變壓模塊，從而每個子模塊都特別靈活地構成，并且能夠為連接在子模塊上的耗電件或電組件提供合適的電壓。
[0019]特別優選的是，變壓模塊具有至少兩個變壓元件，這些元件電并聯連接。由此可以構成子模塊，該子模塊具有電池子模塊和變壓模塊連同至少兩個并聯連接的變壓元件。通過至少兩個變壓元件的并聯連接，使得變壓模塊的輸出側上的電流增加，在這個輸出側上可以連接一個耗電件。增高的電流能夠為可連接其上的耗電件提供例如升高的功率要求。因此，在電流縮放從而在子模塊的功率縮放的情況下得到更高的靈活度，功率縮放可以通過將多個變壓元件并聯連接到一個電池子模塊上得以實現。
[0020]被證明特別有利的是，當所述至少一個變壓元件具有一個用于逆變電池子模塊電壓