CN102859833A - 耦合单元和具有集成的脉冲逆变器和在运行中可更换的单元模块的蓄电池模块 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种用于蓄电池模块(40)的耦合单元(30)，耦合单元(30)包括第一输入端(31)、第二输入端(32)、第一输出端(33)和第二输出端(34)。耦合单元(30)被构造为响应于第一控制信号将第一输入端(31)和第一输出端(33)相连接，且将第二输入端(32)和第二输出端(34)相连接，且响应于第二控制信号将第一输入端(31)从第一输出端(33)分离，且将第二输入端(32)从第二输出端(34)分离，且将第一输出端(33)与第二输出端(34)相连接。此外提出了具有该种耦合单元(30)和至少一个蓄电池单元(41)的蓄电池模块(40)，该蓄电池单元接在耦合单元(30)的第一输入端(31)和第二输入端(32)之间。蓄电池模块(40)的第一端子(42)与耦合单元(30)的第一输出端(33)相连接，且蓄电池模块(40)的第二端子(43)与耦合单元(30)的第二输出端(34)相连接。本发明还引入了一种蓄电池，其具有一个或多个蓄电池模块组(50)，其中，蓄电池模块组(50)包括多个串联的蓄电池模块(40)。该蓄电池具有控制单元，控制单元被构造为生成用于耦合单元(30)的第一和第二控制信号且将其输出至耦合单元(30)。

Description

耦合单元和具有集成的脉冲逆变器和在运行中可更换的单元模块的蓄电池模块
技术领域
本发明涉及用于蓄电池模块的耦合单元和具有该种耦合单元的蓄电池模块。
背景技术
在将来，无论在静态的应用还是在诸如混合动力车辆和电动车辆的车辆中，将应用更多的蓄电池***。为了能够满足针对各应用给出的对电压以及所能够提供的功率的要求，串联了较高数量的蓄电池单元。因为由一个这样的蓄电池提供的电流必须流过所有的蓄电池单元，并且一个蓄电池单元仅能够导通受限的电流，因此通常还附加地并联连接蓄电池单元，以便提高最大电流。这能够通过在蓄电池单元罩壳内设置更多的单元包(Zellwickeln)或通过外部连接蓄电池单元来实现。然而，在此有问题的是，由于单元电容和电压并不是精确地相同，在并联连接的电池单元之间出现了均衡电流。
在图1中示出了常见的电驱动***的原理电路图，电驱动***应用在诸如电动车辆和混合动力车辆中或者也应用在静态应用(例如风力发电装置的转动叶片调节)中。蓄电池10连接至直流中间电路，该直流中间电路由电容器11缓冲保护。脉冲逆变器12连接至直流中间电路，该脉冲逆变器12通过两个可接通的半导体阀和两个二极管在三个输出端上分别提供相对彼此相位移位的正弦电压，以用于驱动电驱动电机13。电容器11的电容必须足够大，以便使直流中间电路中的电压稳定一时间段，在该时间段内接通可接通的半导体阀中的一个。在实际的应用中，诸如在电动车辆中，高电容位于mF范围内。因为直流中间电路的电压通常相当高，只有在高成本并且以大的空间要求的情况下才能够实现这样大的电容。
图2在具体的方框电路图中示出了图1的蓄电池10。多个蓄电池单元串联连接，并可选地附加地并联连接，以实现对于各应用所期望的高的输出电压和蓄电池容量。在蓄电池单元的正极和蓄电池正端子14之间连接了负载装置和分隔装置16。可选地，能够附加地在蓄电池单元的负极和蓄电池负端子15之间连接分隔装置17。分隔装置和负载装置16和分隔装置17分别包括保护继电器18和19，其被设置为用于将蓄电池单元与蓄电池端子分开，从而不带电压地连接蓄电池端子。否则，由于串联连接的蓄电池单元的高直流电压，对维护人员或类似的人将产生相当的危险电势。在负载装置和分隔装置16中附加地设置有负载保护继电器20和与负载保护继电器20串联连接的负载电阻21。如果蓄电池连接到直流中间电路，则负载电阻21限制电容器11的充电电流。在此，首先断开保护继电器18，并仅闭合负载保护继电器20。如果在蓄电池正端子14上的电压达到蓄电池单元的电压，则能够闭合保护继电器19，并且必要时断开负载保护继电器20。保护继电器18、19和负载保护继电器20明显提高了蓄电池10的成本，因为对其可靠性和对由其导通的电流的提出高的要求。
大量蓄电池单元的串联连接除了总电压高之外，还带来了这样的问题，即如果一个蓄电池单元故障，则整个蓄电池故障，因为由于串联连接，蓄电池电流必须流过所有的蓄电池单元。这样的蓄电池故障能够导致整个***的故障。在电动车辆中，驱动蓄电池的故障能够导致所谓的趴窝(Liegenbleiber)，在另外的诸如风力发电装置的转动叶片调节装置中，在强风情况下，这能够导致安全危险情况。因此蓄电池的可靠性高是有利的。根据定义，概念“可靠性”是指***正确地工作预先给定的时间的能力。此外，蓄电池***较高的可用性是值得期待的。可用性可理解为可维修的***在规定的时刻处于可运转的状态的可能性。
发明内容
因此，依据本发明提供了一种用于蓄电池模块的耦合单元，其中，所述耦合单元包括第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端。所述耦合单元被构造为响应于第一控制信号将所述第一输入端和所述第一输出端相连接，且将所述第二输入端和所述第二输出端相连接，且响应于第二控制信号将所述第一输入端从所述第一输出端分离，且将所述第二输入端从所述第二输出端分离，且将所述第一输出端与所述第二输出端相连接。
所述耦合单元使得一个或多个接在所述第一和所述第二输入端的蓄电池单元要么如此地耦接至所述耦合单元的所述第一和所述第二输出端，从而向外部提供蓄电池单元的电压；要么通过连接所述第一输出端和所述第二输出端来跨接所述蓄电池单元，从而使得从外部可见的电压为0伏。因此能够相对于在图1中示出的蓄电池***极大地提高蓄电池***的可靠性，因为单一的蓄电池单元的故障不会直接导致整个蓄电池***的故障。此外将有力地改善蓄电池***的可用性，因为通过所述第一和第二输入端的去耦能够无电压地断开连接至所述第一和第二输入端的蓄电池单元，且之后在运行中移除并通过功能完好的来替换，这些蓄电池单元随后又能够接通。
所述的耦合单元能够包括至少一个换向开关，所述至少一个换向开关被构造为将第一或第二输入端中的一个与所述第一或第二输出端或者将所述耦合单元的中点与所述第一或第二输出端相连接。通过至少一个换向开关的使用能够确保在所述耦合单元发生故障时，也不会将所述第一输入端与所述第二输入端相短接并由此将可能连接的蓄电池单元短路。然而，换向开关只可实现为电子机械的开关，所以与之而来的是关于价格、尺寸和容错率方面的缺点。
替代地，所述耦合单元能够包括第一开关、第二开关和第三开关，所述第一开关接在所述第一输入端和所述第一输出端之间，所述第二开关接在所述第二输入端和所述第二输出端之间，所述第三开关接在所述第一输出端和所述第二输出端之间。所述耦合单元的该种实施尤其适于用半导体开关来实现，其中，所述开关中的至少一个优选地被构造为MOSFET开关或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)开关。
第二发明方面涉及具有根据第一发明方面所述的耦合单元和至少一个优选地为锂离子蓄电池单元的蓄电池单元的蓄电池模块，所述至少一个蓄电池单元接在所述耦合单元的所述第一输入端和所述第二输入端之间，其中，所述蓄电池模块的第一端子与所述耦合单元的所述第一输出端相连接，且所述蓄电池模块的第二端子与所述耦合单元的所述第二输出端相连接。如果所述至少一个蓄电池单元的所述电压应该提供至所述蓄电池模块的所述第一和第二端子，那么所述耦合单元的所述第一输入端将连接在其第一输出端上且所述耦合单元的所述第二输入端将连接在其第二输出端上。如果相反地应该去激活所述蓄电池模块，那么所述第一输入端将从所述耦合单元的所述第一输出端分离，且所述第二输入端将从所述耦合单元的所述第二输出端分离且所述第一输出端将与所述耦合单元的所述第二输出端相连接。由此，所述第一和所述第二端子将相互导通连接，从而使得所述蓄电池模块得出0伏电压。
第三发明方面引入了一种蓄电池，所述蓄电池具有一个或多个，优选地正好三个蓄电池模块组。其中，所述蓄电池模块组包括多个串联的根据第二发明方面所述的蓄电池模块。所述蓄电池还包括控制单元，所述控制单元被构造为生成用于所述耦合单元的所述第一和所述第二控制信号且将其输出至所述耦合单元。
所述蓄电池具有以下优点，即即使在某个蓄电池单元发生故障时也能够去激活该相关的蓄电池模块，而所剩余的蓄电池模块继续提供电压。尽管由蓄电池最大可提供的电压下降了，但是该电压下降通常不会在该蓄电池驱动的装置中导致整体的故障。此外能够设计一定数量的额外的蓄电池模块，当这些蓄电池模块中的某个发生故障且必须被去激活时，在该蓄电池模块的串联连接中的蓄电池模块将相应地减少。由此，所述蓄电池的电压不会被某个蓄电池模块的故障所损害且所述蓄电池的功能和蓄电池单元的故障无关，这又将极大地提高整个装置的可靠性。此外，所述已去激活的蓄电池模块的蓄电池单元通过所述第一和所述第二输入端的分离是无电压的(除了已去激活的蓄电池模块自身的相对低的电压以外)且能够在运行过程中被更换。
如果所述耦合单元包括如上所述的第一、第二和第三开关，那么所述控制单元能够被构造为闭合所选择的耦合单元的所述第一开关和所述第二开关且断开所选择的耦合单元的所述第三开关，或者断开所选择的耦合单元的所述第一开关和所述第二开关且闭合所选择的耦合单元的所述第三开关，或者断开所选择的耦合单元的所述第一、所述第二和所述第三开关。如果所有三个开关均为断开的，那么所述蓄电池模块是高阻抗的，由此，所述蓄电池模块组中的电流将被中断。这在维修的情况下将是有用的，此时能够将蓄电池模块组的所有蓄电池模块设置成高阻抗的状态，以能够无危险地更换损坏的蓄电池模块或者整个蓄电池。由此，在图2中示出的现有技术中的继电器17和18将是多余的，因为所述耦合单元已经提供了以下可能性，即在所述蓄电池的极上无电压地断开所述蓄电池。
所述控制单元还被构造为，在第一时刻，将所选择的蓄电池模块组的所述耦合单元的所有第一输入端与所选择的蓄电池模块组的所述耦合单元的所述多个第一输出端相连接，且将所选择的蓄电池模块组的所述耦合单元的所有第二输入端与所选择的蓄电池模块组的所述耦合单元的所述多个第二输出端相连接，且在第二时刻，将所选择的蓄电池模块组的所述耦合单元的所有第一和第二输入端从所选择的蓄电池模块组的所述耦合单元的所述多个第一和第二输出端去耦，且将所选择的蓄电池模块组的所述耦合单元的所述第一和第二输出端相连接。由此，在所述第一时刻，在所述蓄电池模块组的输出端将提供有所选择的蓄电池模块组的完全的输出电压，而在所述第二时刻，将输出0伏电压。由此，所述蓄电池模块组的耦合单元将作为脉冲逆变器运行，所述脉冲逆变器如图1所示在其输出端上连接所述直流中间电路的正极或负极。通过使用诸如脉冲宽度调制的操控能够生成近似正弦形式的输出电压，其中所述驱动电机的电机线圈用作过滤器。本发明的蓄电池能够因此完全承担现有技术中脉冲逆变器的功能。在具有多个蓄电池模块组的实施例中，每个蓄电池模块组能够生成相对于其他的蓄电池模块组有相移的输出电压，从而使得驱动电机能够直接与所述蓄电池相连接。在此，所述蓄电池的总容量分布于多个蓄电池模块组上也是有利的，由此便不用考虑或者至少能够在明显较小的范围内进行蓄电池单元的串联连接。由此能够消除或者至少减小并联的蓄电池单元间的补偿电流，这将提高所述蓄电池的使用寿命。作为在图1中唯一的直流中间电路的替代，因此设计了如此多的直流中间电路，如蓄电池模块组。这种中间电路具有以下优点，即能够减小尺寸或者完全取消可能设计的缓冲电容。
所述蓄电池能够具有与所述控制单元相连接的传感器单元，所述传感器单元被构造为检测损坏的蓄电池单元且通知所述控制单元。其中所述控制单元被构造为通过输出适当的控制信号以去激活具有所述损坏的蓄电池单元的蓄电池模块。所述传感器单元能够例如测量所述蓄电池单元的单元电压或者所述蓄电池单个的其他的运行参数，以推测所述蓄电池单元的的状态。在此，“损坏的蓄电池单元”不仅能够是实际上损坏的蓄电池单元，也能够是以下的蓄电池单元，该种蓄电池单元的当前状态示出其在不远的将来有较高的可能性会成为实际上损坏的蓄电池单元。
第四发明方面涉及一种机动车，其具有用于驱动所述机动车的电驱动电机和与所述电驱动电机相连接的根据前述发明方面所述的蓄电池。
附图说明
本发明实施例将根据附图和后续的说明进一步阐述，其中相同的附图标记描述了相同的或功能上类似的部件。其中：
图1示出了根据现有技术的电驱动***；
图2示出了根据现有技术的蓄电池的方块图；
图3示出了依据本发明的耦合单元；
图4示出了该耦合单元的第一实施形式；
图5示出了该耦合单元的第二实施形式；
图6示出了依据本发明的蓄电池模块的一个实施形式；
图7示出了依据本发明的蓄电池的第一实施形式；以及
图8示出了具有依据本发明的蓄电池的另一实施形式的驱动***。
具体实施方式
图3示出了依据本发明的耦合单元30。该耦合单元30具有两个输入端31和32以及两个输出端33和34。该耦合单元被构造为将第一输入端31和第一输出端33以及第二输入端32和第二输出端34相连接(且将第一输出端33从第二输出端34去耦)或者将第一输出端33和第二输出端34相连接(且此时将输入端31和32去耦)。在该耦合单元的确定的实施形式中该耦合单元还能够被构造为将两个输入端31、32从输出端33、34分离，并且将第一输出端33从第二输出端34去耦。然而并未设计将第一输入端31与第二输入端32相连接。
图4示出了该耦合单元30的第一实施形式，其中设计了第一、第二和第三开关35、36和37。第一开关35接在第一输入端31和第二输入端32之间，第二开关接在第二输入端32和第二输出端34之间，且第三开关接在第一输出端33和第二输出端34之间。该实施形式的优点是：开关35、36和37能够简单地实现为半导体开关(例如MOSFETs或者IGBTs)。半导体开关具有低廉的价格和较高的开关速度的优点，从而使得该耦合单元能够在很短的时间内对控制信号或者对控制信号的改变作出反应，且可以实现较高的切换率。
图5示出了该耦合单元30的第二实施形式，该实施形式具有第一换向开关38和第二换向开关39。也可以考虑以下的实施形式，在该实施形式中只设计有两个换向开关38、换向开关39中的一个，且另外一个由开关35和37或者由37和36来取代。换向开关38、39具有下述原则上的特点：在将各自余下的输入端去耦的情况下，只能将其各自的输入端中的一个连接在其输出端上。这种方式具有以下优点，即即便在所使用的开关或者控制单元发生故障时也绝不会将该耦合单元30的第一输入端31和该耦合单元30的第二输入端32相连接且由此将所连接的蓄电池单个短路换向开关38和39能够简单地实现为电子机械的开关。
图6示出了依据本发明的蓄电池模块40的一种实施形式。多个蓄电池单元41串接在耦合单元30的输入端之间。然而本发明不仅限于蓄电池单元的该种串联连接，它也可以只有单一的蓄电池单元或者蓄电池单元的并联或者混联电路。该耦合单元30的第一输出端与第一端子42相连接，且该耦合单元30的第二输出端与第二端子43相连接。正如已经阐释的那样，蓄电池模块40具有以下优点，即耦合单元30的蓄电池单元41能够从剩余的蓄电池去耦，且因此在运行状态下能够无危险地更换。
图7示出了依据本发明的蓄电池的第一实施形式，该蓄电池具有n个蓄电池模块组50-1至50-n。蓄电池模块串50-1至50-n中的每个包括多个蓄电池模块40，其中优选地，蓄电池模块组50-1至50-n中的每个包含相同数量的蓄电池模块，且蓄电池模块40中的每个包含以相同的方式相连的相同数量的蓄电池单元。每个蓄电池模块组的极能够与其他的蓄电池模块组的相应的极相连，这在图7中用点线表示。通常，蓄电池模块组能够包含多于1个的任意数量的蓄电池模块，且蓄电池能够包含任意数量的蓄电池模块组。当安全规范要求时，同样能够如图2那样在蓄电池模块组的极上设计有额外的充电和分离装置和分离装置。然而依据本发明，这种分离装置并非必须的，因为该蓄电池单个从蓄电池端子的去耦能够通过包含在蓄电池模块40中的耦合单元30来实现。
图8示出了具有依据本发明的另一实施形式的驱动***。在示出的示例中，该蓄电池具有三个蓄电池模块组50-1、50-2和50-3，它们分别直接连接至驱动电机13的输入端。通常，绝大多数的可使用的电机都是三相信号驱动的，所以本发明的蓄电池优选地正好具有三个蓄电池模块组。本发明的蓄电池还具有以下优点，即已经将脉冲逆变器的功能集成在了蓄电池之中。通过蓄电池的控制单元将所有的蓄电池模块组激活或者去激活，在蓄电池模块组的输出端能够提供0伏或者蓄电池模块组的完全的输出电压。通过对脉冲逆变器的适当的操控(例如通过脉冲宽度调制)能够为驱动电机13提供合适的相位信号。
本发明除了具有上述的优点外还具有减少了高压部件和连接线的数量的优点，并且提供了联合蓄电池的冷却***和脉冲逆变器的冷却***的可能性，其中用于冷却蓄电池单元的制冷剂接下来能够用于冷却脉冲逆变器的部件(以及耦合单元30)，因为这些部件通常会达到很高的工作温度且通过已经由蓄电池单元加热的制冷剂能够充分地冷却。此外，还能够联合蓄电池和脉冲逆变器的控制单元并由此进一步节省开支。该耦合单元为脉冲逆变器和蓄电池提供了集成的安全架构并提高了整个***的可靠性和可用性以及蓄电池的使用寿命。
具有集成的脉冲逆变器的蓄电池还具有以下优点，即其能够非常简单地由具有集成的耦合单元的单一的蓄电池模块化地构建。由此能够使用直流部分(模块设计原理)。

Claims (10)

1.一种用于蓄电池模块(40)的耦合单元(30)，所述耦合单元(30)包括第一输入端(31)、第二输入端(32)、第一输出端(33)和第二输出端(34)，其特征在于，所述耦合单元(30)被构造为响应于第一控制信号将所述第一输入端(31)和所述第一输出端(33)相连接，且将所述第二输入端(32)和所述第二输出端(34)相连接，且响应于第二控制信号将所述第一输入端(31)从所述第一输出端(33)分离，且将所述第二输入端(32)从所述第二输出端(34)分离，且将所述第一输出端(33)与所述第二输出端(34)相连接。
2.根据权利要求1所述的耦合单元(30)，其具有至少一个换向开关(38、39)，所述至少一个换向开关被构造为将第一或第二输入端(31、32)中的一个与所述第一或第二输出端(33、34)相连接或者将所述耦合单元(30)的中点与所述第一或第二输出端(33、34)相连接。
3.根据权利要求1所述的耦合单元(30)，其具有第一开关(35)、第二开关(36)和第三开关(37)，所述第一开关接在所述第一输入端(31)和所述第一输出端(33)之间，所述第二开关接在所述第二输入端(32)和所述第二输出端(34)之间，所述第三开关接在所述第一输出端(33)和所述第二输出端(34)之间。
4.根据权利要求3所述的耦合单元(30)，其中，所述第一开关(35)、所述第二开关(36)或所述第三开关(37)中的至少一个被构造为半导体开关，优选地为MOSFET开关或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)开关。
5.一种蓄电池模块(40)，其具有根据前述权利要求中任一项所述的耦合单元(30)和至少一个蓄电池单元(41)，优选地为锂离子蓄电池单元，所述至少一个蓄电池单元接在所述耦合单元(30)的所述第一输入端(31)和所述第二输入端(32)之间，其中，所述蓄电池模块(40)的第一端子(42)与所述耦合单元(30)的所述第一输出端(33)相连接，且所述蓄电池模块(40)的第二端子(43)与所述耦合单元(30)的所述第二输出端(34)相连接。
6.一种蓄电池，其具有一个或多个，优选地正好三个蓄电池模块组(50)和控制单元，其中，所述蓄电池模块组(50)包括多个串联的根据权利要求5所述的蓄电池模块(40)，所述控制单元被构造为生成用于所述耦合单元(30)的所述第一和所述第二控制信号且将其输出至所述耦合单元(30)。
7.根据权利要求6所述的蓄电池，其中，所述耦合单元(30)根据权利要求3或4中的一个构造，且其中所述控制单元被构造为闭合所选择的耦合单元(30)的第一开关(35)和第二开关(36)且断开所选择的耦合单元(30)的第三开关(37)，或者断开所选择的耦合单元(30)的所述第一开关(35)和所述第二开关(36)且闭合所选择的耦合单元(30)的所述第三开关(37)，或者断开所选择的耦合单元(30)的所述第一、所述第二和所述第三开关(35、36、37)。
8.根据权利要求6或7所述的蓄电池，其中所述控制单元还被构造为，在第一时刻，将所选择的蓄电池模块组(50)的所述耦合单元(30)的所有第一输入端(31)与所选择的蓄电池模块组(50)的所述耦合单元(30)的多个第一输出端(33)相连接，且将所选择的蓄电池模块组(50)的所述耦合单元(30)的所有第二输入端(32)与所选择的蓄电池模块组(50)的所述耦合单元(30)的多个第二输出端(34)相连接，且在第二时刻，将所选择的蓄电池模块组(50)的所述耦合单元(30)的所有第一和第二输入端(31、32)从所选择的蓄电池模块组(50)的所述耦合单元(30)的多个第一和第二输出端(33、34)去耦，且将所选择的蓄电池模块组(50)的所述耦合单元(30)的所述多个第一和第二输出端(33、34)相连接。
9.根据权利要求6至8中的任一项所述的蓄电池，其具有与所述控制单元相连接的传感器单元，所述传感器单元被构造为检测损坏的蓄电池单元(41)且通知所述控制单元，其中所述控制单元被构造为通过输出适当的控制信号以去激活具有所述损坏的蓄电池单元(41)的蓄电池模块(40)。
10.一种机动车，其具有用于驱动所述机动车的电驱动电机(13)和与所述电驱动电机(13)相连接的根据权利要求6至9中任一项所述的蓄电池。
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