CN102474111A - 混合电池*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于电池***的能量传递器，所述能量传递器包括多个DC/DC变换器(21-1、21-2、21-n、31、41-1、41-2、41-n)，所述DC/DC变换器分别具有第一和第二输入端(32-1、32-2)以及第一和第二输出端(33-1、33-2)。所述DC/DC变换器(21-1、41-1)中的第一个的所述第一输出端(33-1)与所述能量传递器的第一输出端(23-1、43-1)相连，而所述DC/DC变换器(21-1、41-1)中的最后一个的所述第二输出端(33-2)与所述能量传递器的第二输出端(23-2、43-2)相连。所述第一和第二输入端(32-1、32-2)构造为用于连接电池模块(20-1、20-2、20-n、30、40-1、40-2、40-n)。所述DC/DC变换器(21-1、21-2、21-n、31、41-1、41-2、41-n)在输出侧串联。所述能量传递器具有多个第一二极管(22-2、22-n、42-2、42-n)和第二二极管(22-1、42-1)，所述多个第一二极管(22-2、22-n、42-2、42-n)中，每个第一二极管都具有与所述DC/DC变换器(21-1、21-2、21-n、31、41-1、41-2、41-n)中的一个的所述第一输入端(32-1)相连的正极和与所述DC/DC变换器(21-1、21-2、21-n、31、41-1、41-2、41-n)中的另一个的所述第二输入端(32-2)相连的负极，从而所述DC/DC变换器(21-1、21-2、21-n、31、41-1、41-2、41-n)在输入侧串联，所述第二二极管(22-1、42-1)具有与所述DC/DC变换器(21-1、41-1)中的所述第一个的所述第一输入端(32-1)相连的正极和与所述能量传递器的所述第一输出端(23-1、43-1)相连的负极。

Description

混合电池***
背景技术
对电池***的需求日益增长，所述电池***在如风力发电设备和备用电源***的固定的应用或者还在车辆中得到应用。所有这些应用都对可靠性和故障情况下的安全性提出了很高的要求。原因在于，供电装置由于电池***而彻底故障可能导致整个***发生故障。所以在风力发电设备中使用电池，以便在很强的风力的情况下调节转子叶片并且保护所述设备免于承受过度的机械负载，所述过度的机械负载会损坏或者甚至破坏所述风力发电设备。在电动汽车的电池发生故障的情况下，该电动汽车是无法开动的。备用电源***又应该能够正好保证例如医院的不断电运行并因此自身尽可能不发生故障。
为了能够提供相应的应用所要求的功率和能量，单个电池单元串联并且部分还并联。图1示出电池串联的原理电路图。多个电池单元10-1至10-n串联，以便通过单个单元10-1、...10-n的电压的累加来实现例如在客车中电动机所要求的很高的工作电压。所述很高的工作电压能够通过输出侧的开关11-1和11-2与后续的、未示出的电力电子构件(例如逆变器)断开。因为电池的整个输出电流基于电池单元10-1、...10-n的串联而在所述电池单元10-1、...10-n中的每个中流过，其中，因为电池单元10-1、...10-n内部的电子化学过程而出现电荷转移，所以单个电池单元发生故障在极限情况下意味着：整个***不再能够提供电流并因此不再能够提供电能。为了能够及时地识别出电池单元10-1、...10-n的具有危险的故障，通常使用所谓的电池管理***12，所述电池管理***与电池单元10-1、...10-n中的每一个的两极相连或者能够与它们相连，并且以有规律的或者可选择的间隔来确定每个电池单元10-1、...10-n的运行参数例如电压和温度并由此确定其充电状态(State of Charge，SoC)。这意味着，在电池***的电气运行数据的灵活性很低的情况下同时具有很高的成本。
多个电池单元串联的其他缺点还有：
1.针对利用电池来驱动的装置的不同运行状态，对所提供的工作电压、最大电流和所存储的能量提出了条件，只有在与用于实现单个要求实际所需要的数量相比更大数量的电池单元耦接时，才可以统一这些条件。这增加了电池***的价格以及尤其在电动汽车中扰人的重量和体积。
2.电池的装配，即单个单元的连接，由于单个电池单元通过串联累加的电压而在高达1000V的电压的情况下实现，因此，电池、单个单元或者模块的更换不能在本地的工场来进行，或者在固定的应用的情况下仅能由特定组成的专业人员使用特殊工具来进行。由此，在故障情况下出现用于维护电池***的很高的物流成本。
3.为了以不带电压的方式断开(spannungsfrei zu schalten)电池***，也就是说将原来的电池与负载分开，必须设置功率开关11-1和11-2，所述功率开关典型地被实施为保护继电器(Schütze)，并且所述功率开关对于预料中很高的电流和电压来说非常昂贵。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种能够克服现有技术的上述缺点的装置。
本发明的第一方面涉及一种用于电池***的能量传递器，所述能量传递器包括多个DC/DC变换器，所述DC/DC变换器分别具有第一和第二输入端以及第一和第二输出端。所述DC/DC变换器中的第一个的所述第一输出端与所述能量传递器的第一输出端相连，而所述DC/DC变换器中的最后一个的所述第二输出端与所述能量传递器的第二输出端相连。所述DC/DC变换器的所述第一和第二输入端构造为用于连接电池模块。所述DC/DC变换器在输出侧串联。根据本发明，所述能量传递器具有多个第一二极管和第二二极管，所述多个第一二极管中，每个第一二极管都具有与所述DC/DC变换器中的一个的所述第一输入端相连的正极和与所述DC/DC变换器中的另一个的所述第二输入端相连的负极，从而所述DC/DC变换器在输入侧串联，所述第二二极管具有与所述DC/DC变换器中的所述第一个的所述第一输入端相连的正极和与所述能量传递器的所述第一输出端相连的负极。
本发明具有如下优点，电池模块通过第一二极管串联，并且串联的电池模块通过第二二极管与所述DC/DC变换器并联。由此能够实现的是，确定用于对大多数运行情况来说足够小的功率吸收(Leistungsentnahme)的DC/DC变换器的规格，由此，DC/DC变换器变得更轻并且更便宜。如果吸收很高的功率，那么由串联的DC/DC变换器所产生的输出电压会下降并且降低到串联的电池模块的电压以下。由此，电池模块通过第二二极管接通并且再次稳定所述输出电压。因而，本发明能够实现在针对不同的运行状态的、在要提供的功率方面的不同要求之间的很好的折衷。此外，能够在足够小的功率吸收的前提下通过相应地控制DC/DC变换器实现对适合运行情况的总电压的选择。而且，在很低的功率吸收的情况下，所述输出电压变得不依赖于初级侧所连接的电池单元的数量。由此，电池***的设计纯粹根据能量和功率标准来实现而不依赖于相应应用所要求的总电压。该装置的另一优点在于，能够省去昂贵的保护继电器11-1和11-2，这是因为电池输出端上的高电压能够通过断开DC/DC变换器而以简单的方式关断。
所述能量传递器具有多个第一断路开关，其中，所述电池模块能够通过各一个所述第一断路开关与所述DC/DC变换器连接。所述第一断路开关允许：电池模块与相应的DC/DC变换器断路(abkoppeln)，并因此将它们以无电压的方式断开(spannungsfrei zuschalten)。由此防止电池模块依赖于DC/DC变换器的开关状态而短路。优选地，所述第一断路开关被实施为继电器。
除了所述第一断路开关，所述能量传递器还能够具有多个第二断路开关，所述多个第二断路开关中各一个与所述第一二极管或所述第二二极管串联。所述第二断路开关构造为，将相应的DC/DC变换器的所述第一输出端与所述相应的DC/DC变换器的所述第一输入端断路，或者将除了最后一个DC/DC变换器以外的每个DC/DC变换器的第二输入端与其第二输出端断路。所述第二断路开关优选地被实施为快速开关，并且针对第一断路开关没有切换或者切换太慢的情况确保电池模块断路。这在第一断路开关实施为开关相对慢的继电器时尤其具有优点。
特别优选地，所述DC/DC变换器被实施为双向的、非绝缘的DC/DC变换器，例如实施为升压/降压转换器或者升降压式变换器(Buck-Boost-Konverter)。
在所述能量传递器的一个优选实施形式中，所述DC/DC变换器分别具有线圈、第一至第四开关和用于控制所述第一至第四开关的控制器，其中，所述第一开关连接在所述第一输入端与所述线圈的第一接线端之间，所述第二开关连接在所述线圈的所述第一接线端与所述第二输入端之间，所述第三开关连接在所述线圈的第二接线端与所述第二输入端之间，而所述第四开关连接在所述线圈的所述第二接线端与所述第一输出端之间。升降压式变换器的这种实施方式在接线技术上较不复杂并且允许对所要产生的输出电压进行简单控制。
在此，特别优选地，每个控制器具有用于第一控制信号的第一控制输入端，并且被构造为根据所述第一控制信号的接收通过闭合所述第三开关和所述第四开关的闭合而使所述DC/DC变换器的所述第一输出端与所述DC/DC变换器的所述第二输出端电连接，以及通过打开所述第一开关而将所述DC/DC变换器的所述第一输入端断开。这种实施方式允许：在运行中有选择性地断开DC/DC变换器，例如因为接在输入侧的电池模块的电池单元是坏的。通过第三开关的闭合，发生故障的DC/DC变换器的第一和第二输出端彼此导电地连接，从而输出电流还能够在整个***中流过。为了使电池模块不通过线圈短路，所述电池模块同时通过第一开关的打开而断开。因此，该实施方式允许：尽管一个或多个电池单元发生故障，所述装置仍然继续运行。此外，在需要的情况下，能够在运行中更换电池模块，而不必中断总电压的产生。
在两个最后提及的实施方案的改进形式中，所述DC/DC变换器中的每个都具有用于第二控制信号的第二控制输入端，并且构造为根据第二控制信号的接收来提高所述DC/DC变换器的第一和第二输出端之间的电压。由此能够实现的是，通过单个DC/DC变换器的已经描述过的切断来对总电压的降低起反作用，从而仍能够由与减少的数量的DC/DC变换器来提供至少接近的未变化的总电压。还可以实现的是，在DC/DC变换器数量维持不变的情况下提高总电压并因此适应其他运行情况。
本发明的第二方面实现的是具有根据本发明的第一方面所述的能量传递器和多个电池模块的电池***。所述电池模块分别具有至少一个电池单元。所述电池模块的电池极与所述能量传递器的DC/DC变换器的所述第一和第二输入端的相应输入端以能松开的方式连接。
本发明的第三方面涉及一种具有根据本发明的第一方面所述的能量传递器的机动车。
附图说明
下面结合实施例的附图对本发明进行详细阐述。
图1示出根据现有技术的具有电池管理***的电池；
图2示出本发明的第一实施例；
图3示出被实施为升降压式变换器的DC/DC变换器的电路图；
图4示出本发明的第二实施例。
具体实施方式
图2示出本发明的第一实施例。多个DC/DC变换器21-1、21-2至21-n在输入侧通过多个第一二极管22-2至22-n串联。此外，所述DC/DC变换器21-1、21-2、...21-n中的每一个都在输入侧与电池模块20-1、20-2、...20-n相连，所述电池模块分别具有一个或多个串联的电池单元。如在图2中可以看到的那样，所述DC/DC变换器21-1、21-2、...21-n的输出端串联，从而该装置的输出端23-1与23-2之间的总电压为由所述DC/DC变换器21-1、21-2、...21-n所产生的单个电压的总和。所述DC/DC变换器21-1、21-2、...21-n以公知的方式构建，并且允许对加在每个DC/DC变换器21-1、21-2、...21-n的第一和第二输出端上的输出电压进行调整或者还允许断开所述DC/DC变换器21-1、21-2、...21-n，从而不再进行DC/DC变换。由此，所述输出端23-1与23-2上的总电压能够灵活地适应于相应的运行情况，这示出了本发明的优点。所述DC/DC变换器21-1、21-2、...21-n内部的虚线表示所述DC/DC变换器21-1、21-2、...21-n的各输入端与输出端之间的可能的导电连接。所述电池模块20-1、20-2、...20-n通过第一二极管22-2、...22-n和第一断路开关24-1、24-2、...24-n串联并且通过第二二极管22-1与所述DC/DC变换器21-1的所述第一输出端并联。由此以与串联的所述DC/DC变换器21-1、21-2、...21-n并联的方式提供有由电池模块联接而成的电池。这能够实现：设计相对小的功率吸收的DC/DC变换器21-1、21-2、...21-n，由此，所述DC/DC变换器21-1、21-2、...21-n更小、更轻并且更便宜。针对通常仅很少出现的、必须提供较高功率的运行状态，所描述的串联的电池可以直接作为电源使用。如果吸收了这种较高的功率，那么由所述DC/DC变换器21-1、21-2、...21-n在输出端23-1与23-2之间产生的电压会下降，直至第二二极管22-1极化成正向偏置电压然后，所述第二二极管22-1接通，并且所述电池使得输出端23-1与23-2之间的电压稳定。因此，本发明结合了以独立于所使用的电池单元的个数的方式可变地产生输出电压的优点与仍能最大程度上提供的很高的输出电压，其中，能够实现相对小的接线成本。第一断路开关24-1、24-2、...24-n允许：相应的电池模块20-1、20-2、...20-n与配属的DC/DC变换器21-1、21-2、...21-n脱离并以无电压的方式断开(spannungsfrei zu schalten)所述DC/DC变换器。这在电池模块20-1、20-2、...20-n发生故障的情况下尤其有利。在这种情况下，附加地，所述配属的DC/DC变换器21-1、21-2、...21-n应该被去激活，并且将其输出端短路，由此确保整个***的其他功能。附加地或者可供选择地，也能够设置用于DC/DC变换器输入侧的相应的旁路电路，但是也能够在所述DC/DC变换器21-1、21-2、...21-n在第二输出端与第二输入端之间具有导电连接的情况下省去。
图3示出被实施为所谓升降压式变换器的DC/DC变换器31的电路图。在第一输入端32-1与第二输入端32-2之间能够以可松开的方式连接具有一个或多个电池单元30-1至30-n的电池模块30。所述DC/DC变换器31具有第一至第四开关S1、S2、S3、S4和线圈L1。所述DC/DC变换器具有第一和第二输出端33-1、33-2，并且被构造为用于在这些输出端33-1、33-2之间产生直流电压，其大小根据公知的方式能够通过选择所述第一至第四开关S1、S2、S3、S4的开关时间(Schaltperiode)以独立于电池模块30的直流电压的方式加以调整。在最简单的情况下，升降压式变换器交替地在两个不同的状态之间运行。在充电状态下，第一开关S1和第三开关S3闭合(即处于导电状态)而第二开关S2和第四开关S4打开(即处于非导电状态)。接着，电流从电池模块30流过线圈L1，所述电流在所述线圈L1中建立磁场。在放电过程中，第一开关S1和第三开关S3打开而第二开关S2和第四开关S4闭合。由此，电池模块30与线圈L1分开，并且线圈L1的输入端与电池模块30的负极连接而其输出端与第一输出端33-1连接。因为线圈L1反作用于流过它的电流的变化，所以所述线圈由其磁场提供一个输出电流并且在这种情况下减低该磁场。如果该过程快速地重复，那么在输出端33-1、33-2之间出现这样的直流电压，即其大小依赖于所述重复的频率。
未示出的是控制器，所述控制器使得开关S1至S4的时序(Taktung)适应于运行情况。常见的是，设置有反馈装置(Rückkopplung)，在所述反馈装置的情况下确定加在所述输出端33-1、33-2上的输出电压并且用于调整开关S1至S4的时序，从而形成尽可能稳定的输出电压。为了对输出电压进行更好的滤波，能够在所述输出端33-1、33-2之间设置缓冲电容器。在本发明的范围内，DC/DC变换器的这些特性允许：对根据本发明的***的依据运行情况所希望的总电压进行调整或者还断开一个或者所有的DC/DC变换器。尤其有利的是，能够通过闭合开关S3和S4以及打开开关S1和S2的方式来去激活所述DC/DC变换器31。
图4示出本发明的第二实施例，该第二实施例类似于第一实施例地建立并且相应地起作用。唯一的区别是还添入了第二断路开关45-1、45-2、45-3，所述第二断路开关应该在由于电池模块40-1、40-2、...40-n发生故障而像上面描述的那样将DC/DC变换器41-1、41-2、...41-n去激活的情况下切断以在DC/DC变换器41-1、41-2、...41-n之内的虚线示出的、在DC/DC变换器41-1、41-2、...41-n的第二输入端与第二输出端之间的导电的连接。在此，所述第二断路开关优选地被设计为快速开关例如功率晶体管，并且能够在优选地被实施为相对慢的继电器的第一断路开关44-1、44-2、...44-n中的一个没有打开或者没有足够快速地打开的情况下断开所述电池模块40-1、40-2、...40-n。对最后一个DC/DC变换器41-n来说，不需要第二断路开关。

Claims (10)

1.用于电池***的能量传递器，所述能量传递器包括多个DC/DC变换器(21-1、21-2、21-n、31、41-1、41-2、41-n)，所述DC/DC变换器分别具有第一和第二输入端(32-1、32-2)以及第一和第二输出端(33-1、33-2)，其中，所述DC/DC变换器中的第一个(21-1、41-1)的所述第一输出端(33-1)与所述能量传递器的第一输出端(23-1、43-1)相连，而所述DC/DC变换器中的最后一个(21-n、41-n)的所述第二输出端(33-2)与所述能量传递器的第二输出端(23-2、43-2)相连，其中，所述第一和第二输入端(32-1、32-2)构造为用于连接电池模块(20-1、20-2、20-n、30、40-1、40-2、40-n)，并且其中，所述DC/DC变换器(21-1、21-2、21-n、31、41-1、41-2、41-n)在输出侧串联，其特征在于包括多个第一二极管(22-2、22-n、42-2、42-n)和第二二极管(22-1、42-1)，所述多个第一二极管(22-2、22-n、42-2、42-n)中，每个第一二极管都具有与所述DC/DC变换器(21-1、21-2、21-n、31、41-1、41-2、41-n)中的一个的所述第一输入端(32-1)相连的正极和与所述DC/DC变换器(21-1、21-2、21-n、31、41-1、41-2、41-n)中的另一个的所述第二输入端(32-2)相连的负极，从而所述DC/DC变换器(21-1、21-2、21-n、31、41-1、41-2、41-n)在输入侧串联，所述第二二极管(22-1、42-1)具有与所述DC/DC变换器中的所述第一个(21-1、41-1)的所述第一输入端(32-1)相连的正极和与所述能量传递器的所述第一输出端(23-1、43-1)相连的负极。
2.根据权利要求1所述的能量传递器，其特征在于包括多个第一断路开关(24-1、24-2、24-n、44-1、44-2、44-n)，其中，所述电池模块(20-1、20-2、20-n、30、40-1、40-2、40-n)各通过所述第一断路开关(24-1、24-2、24-n、44-1、44-2、44-n)中的一个是与所述DC/DC变换器(21-1、21-2、21-n、31、41-1、41-2、41-n)可连接的。
3.根据权利要求2所述的能量传递器，其中所述第一断路开关(24-1、24-2、24-n、44-1、44-2、44-n)被实施为继电器。
4.根据权利要求2或3所述的能量传递器，其特征在于包括多个第二断路开关(45-1、45-2、45-3)，其中，所述多个第二断路开关中每一个与所述第一二极管(22-2、22-n、42-2、42-n)和所述第二二极管(22-1、42-1)串联并且被构造为用于将相应的DC/DC变换器(21-1、21-2、21-n、31、41-1、41-2、41-n)的所述第一输出端(33-1)与所述相应的DC/DC变换器(21-1、21-2、21-n、31、41-1、41-2、41-n)的所述第一输入端(32-1)断路。
5.根据前述权利要求之一所述的能量传递器，其中所述DC/DC变换器(21-1、21-2、21-n、31、41-1、41-2、41-n)被实施为双向的、非绝缘的DC/DC变换器，优选地被实施为升压/降压转换器或者升降压式变换器。
6.根据前述权利要求之一所述的能量传递器，其中所述DC/DC变换器(21-1、21-2、21-n、31、41-1、41-2、41-n)分别具有线圈(L1)、第一至第四开关(S1、S2、S3、S4)和用于控制所述第一至第四开关(S1、S2、S3、S4)的控制器，其中，所述第一开关(S1)连接在所述DC/DC变换器(21-1、21-2、21-n、31、41-1、41-2、41-n)的所述第一输入端(32-1)与所述线圈(L1)的第一接线端之间，所述第二开关(S2)连接在所述线圈(L1)的所述第一接线端与所述DC/DC变换器(21-1、21-2、21-n、31、41-1、41-2、41-n)的所述第二输入端(32-2)之间，所述第三开关(S3)连接在所述线圈(L1)的第二接线端与所述DC/DC变换器(21-1、21-2、21-n、31、41-1、41-2、41-n)的所述第二输入端(32-2)之间，而所述第四开关(S4)连接在所述线圈(L1)的所述第二接线端与所述DC/DC变换器(21-1、21-2、21-n、31、41-1、41-2、41-n)的所述第一输出端(33-1)之间。
7.根据权利要求6所述的能量传递器，其中每个控制器具有用于第一控制信号的第一控制输入端，并且被构造为用于根据所述第一控制信号的接收通过闭合所述第三开关(S3)和所述第四开关(S4)而使所述DC/DC变换器(21-1、21-2、21-n、31、41-1、41-2、41-n)的所述第一输出端(33-1)与所述DC/DC变换器(21-1、21-2、21-n、31、41-1、41-2、41-n)的所述第二输出端(33-2)电连接，而通过打开所述第一开关(S 1)将所述DC/DC变换器(21-1、21-2、21-n、31、41-1、41-2、41-n)的所述第一输入端(32-1)断开。
8.根据权利要求6或7所述的能量传递器，其中每个控制器具有用于第二控制信号的第二控制输入端，并且被构造为用于根据所述第二控制信号的接收而使所述DC/DC变换器(21-1、21-2、21-n、31、41-1、41-2、41-n)的所述第一输出端(33-1)与所述第二输出端(33-2)之间的电压升高。
9.一种电池***，其具有根据前述权利要求之一所述的能量传递器和多个电池模块(20-1、20-2、20-n、30、40-1、40-2、40-n)，所述电池模块分别具有至少一个电池单元(30-1、30-2、...、30-n)并且其电池极与所述能量传递器的DC/DC变换器(21-1、21-2、21-n、31、41-1、41-2、41-n)的所述第一和第二输入端(32-1、32-2)的相应输入端以能松开的方式连接。
10.具有根据权利要求1至8之一所述的能量传递器的机动车。
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