CN103026543A - 用于控制电动机的能量供给的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于控制电动机、特别是可电驱动的车辆的电动机的能量供给的一种方法以及一种电气***，其中控制装置（22）通过能量存储器（12）控制所述电动机的能量供给，并且其中所述能量存储器（12）包括多个模块（14），所述模块通过反复的充电和/或放电被加载并且由于负载经历老化过程。为了使所述能量存储器（12）的使用寿命与例如车辆的使用寿命脱耦合，所述控制装置（22）如此区别地控制至少两个模块的充电和/或放电，从而使得这些模块具有负载差，以便选择性地减缓较少加载的模块的老化过程。

Description

用于控制电动机的能量供给的方法
技术领域
本发明涉及一种用于控制电动机、尤其是可电驱动的车辆的电动机的能量供给的方法。
背景技术
为了降低机动车的排放，现在形成了用于具有电驱动装置的车辆的增强的驱动概念，正如纯电动车或者混合动力电动车（HEV）那样。在此，处于电动机运行状态和发电机运行状态中的电动车的运行以车辆中的电能量存储器为前提。
对于电动车来说，为了供给能量恰好经常发生能量存储器的放电并紧接着重新充电。通过能量存储器的反复放电和充电对所述能量存储器加载并且在一段时间之后能量存储器经历老化过程，由此其功率和电容随着时间减少。因此在使用寿命结束时能够记录下明显的功率下降和电容下降，这就需要对能量存储器进行昂贵的更换。
因此，由文献EP 0 913 288 B1公开了一种方法，以便维持混合动力电动车的驱动电池模块的充电电容。在此能量存储器在车辆静止时或者说断开点火时得到保护，方法是仅为唯一的模块充满电并且紧接着部分放电。
发明内容
本发明的主题是一种用于控制电动机、特别是可电驱动的车辆的电动机的能量供给的方法，其中控制装置通过能量存储器控制所述电动机的能量供给，并且其中所述能量存储器包括多个模块，所述模块通过反复的充电和/或放电被加载并且由于负载经历老化过程，根据本发明规定，所述控制装置如此区别地控制至少两个模块的充电和/或放电，从而使得这些模块具有负载差，以便选择性地减缓较少加载的模块的老化过程。
按照本发明通过能量存储器为电动机提供能量，所述能量存储器由多个模块构成。由于控制装置如此区别地控制至少两个模块的充电和/或放电，从而这些模块具有负载差，以便选择性地减缓较少加载的模块的老化过程，能够选择性地影响各个模块的或者成组模块的使用寿命。
因为除了能量存储器在只是存放而没有运行时就出现的所谓的随时间的老化之外，能量存储器还特别地通过增加的充电或者说放电的负载而老化。按照本发明模块经历不同强度的老化过程，这意味着至少一个模块比其他模块更弱地老化。换而言之，控制装置如此选择性地触发所述模块，从而选择性地减缓单个或多个模块的老化过程，而其他模块能够被增强地加载。以这种方式实现在模块的老化过程中的分配。单个模块或者成组模块有必要比其他模块更早地更换。
因此按照本发明单个或者多个模块的连续更换是可能并且必要的。被更强烈地加载的模块们或者说被更强烈地加载的模块例如能够这样在每年的维护周期范围内以可接受的成本进行更换。此外不必要的是，在一定的时刻替换整个能量存储器，因为传统的能量存储器无法达到车辆的大约十到十五年或者说数十万公里的通常的使用寿命。这样单个的或者较少的模块的相对成本低廉的更换在改进的车辆寿命的情况下也是可毫无问题地实施的，并且在此在经济上是有意义的。由此电驱动车辆的经济的使用寿命与整个能量存储器的使用寿命脱耦合，并且因此明显地延长。
此外，通过各个模块的选择性控制的老化过程避免在一定的时刻整个能量存储器的强烈的功率下降。更确切地说各个模块的损耗始终随时间变化，从而平均地在任何时刻都存在类似的损耗进而存在稳定不变的有效功率。
此外，通过各个模块的、按照本发明的必要的逐渐更换能够持续地使能量存储器适应模块的当前的发展状况（Entwicklungsstand），方法是始终用新的、当前的模块更换旧模块。因此能够在能量存储器中组合不同的化学电池（Zellchemie）或者说不同的电池生成（Zellgenerationen）。
在此，不必使用精确地配合相应的能量存储器的各个模块。更确切地说，可以考虑各个模块的设计规格的、对于制造商重要的标准化。这本身带来制造成本的降低，各个模块本身以及能量存储器作为整体成本低廉地构成所述制造成本。由此能够改善电驱动车辆在市场上的认可度。
按照本发明的方法的另一个优点在于能够省略在运行中作为模块的组成部分的各个电池的昂贵的均衡。这里电池的均衡是指充电状态进而各个电池彼此的静态端电压的平衡。按照背景技术通常在制造时并且必要时在运行过程中在连通（Verschalten）之前实现所述均衡，以便补偿电池的不同的老化效果。
此外，以这种方式能够对期望的使用来说在没有附加工作步骤的情况下实施各个模块的老化过程。终端用户（Endanwender）因此不会察觉上述情况，而是当在电动机的使用范围内无论如何需要能量时，能量控制装置仅控制需要的能量的源头。
这里在本发明的范围内，所谓负载差理解为流过模块的电流的差异。在此负载差能够包括充电/放电的持续时间以及充电/放电的强度。在此负载差的大小涉及在整个充电/放电过程中出现的平均值。因为根据电动机的电流需求，负载差也能够短时间地明显较大或者明显较小，正如例如在全负荷时那样。
在优选的实施方式的范围内，所述模块分别布置在模块线路中并且并联连接。这是特别有利的和简单的结构，以便区别地触发模块。在这种情况下每个模块应该提供足够的电压。合适的电压值尤其处于400V的范围内。这能够通过由各个电池组成的模块的构造实现，其中例如100个分别具有4V电压的电池串联在每个模块中。在这种情况下，所述并联连接的模块能够提供足够的电流强度或者说足够的电功率，以便驱动电动机。合适的功率尤其处于20kW至500kW。
在另一种实施方式的范围内，通过调节至少一个布置在所述模块线路中的可变电阻的电阻值来控制所述至少两个模块的不同的充电和/或放电。这是区别地加载模块的特别简单和有效的方法。通过调节至少一个可变电阻的电阻值能够通过各个模块线路选择性地增大或者减小电流量，从而能够精确控制各个模块的充电和/或放电。特别优选如此调节所述电阻值，从而使得负载差不超过20%的值。所述负载差特别地处于≥10%至≤20%的范围内。
使用可变电阻的另一个优点在于，为此能够同样地使用这些电阻，即可能通过不同的电阻值平衡各个模块的不同的电压水平。按照本发明的方法能够这样非常灵活地使用。
此外安全功能归功于所述电阻。如果在所述模块其中之一中出现短路，那么能够通过相应地调节电阻在各个模块线路中实现电流通过的中断。由此能够有效地防止，其他模块将其功率推移到短路模块线路中进而导致危及安全的状态。
无论如何能够使用由电阻产生的热量，以便改善能量存储器的冷起动，方法是由在电阻中产生的热量加热能量存储器或者说各个模块。
在本发明的另一种有利的设计方案的范围内，所述至少两个模块的不同的充电和/或放电通过分别布置在所述模块线路中的电流测量设备和/或通过在所述模块中经由所述控制装置进行的电压测量来检验。由此能够立即对影响不同的充电和/或放电的、可能的干扰因素做出反应。这样能够优选构造正如期望的那样实施选择性的加载的调节回路。因此特别优选的是，基于电流测量和/或电压测量的数据再调节电阻值。
在另一种实施方式的范围内，所述控制装置考虑各个模块在形成负载差时的不同的老化状态。由此能够在选择有待加载的模块们或者有待加载的模块的负载时将实际的老化状态包含在内。这样能够防止在各个模块的过分强烈的和意外的老化时出现的、并且这样干扰有针对性的老化过程的故障。控制装置以这种方式不仅严格按照预先确定的模式控制各个模块的负载，而且更确切地说能够反应各个模块实际的老化状态。这例如能够在模块比最初的假设和期望更快或者更慢地老化时尤为重要，这种情况例如能够通过在电气***中的故障或者也通过各个模块或者整个能量存储器的制造缺陷或者损坏引起。
在此有利的是，所述控制装置分析关于所述模块的电压、温度和/或电流的数据，并且在此尤其计算所述模块的电容和/或内阻，以便考虑所述模块的老化状态。借助这些数据能够对各个模块的老化状态进行特别可靠的推断。
在本发明的另一种有利的设计方案的范围内，使用具有相同额定电压的模块。这里所述额定电压表示在恒定电流放电过程中、特别在1至3小时的持续时间内模块的平均电压，并且所述额定电压是对于模块来说或者说对于其化学电池来说表示特征的参量。所述优选设置的电阻以这种方式基本上仅用于实施选择性地加载或者说老化。特别地，在此各个模块是结构一致的。由此能够实现所述能量存储器进而所述电气***的特别简单的构造。
此外，本发明涉及电气***、尤其是用于控制可电驱动的车辆的能量供给的电气***，所述电气***包括能量存储器、尤其是用于驱动车辆的电动机的能量存储器，其中所述能量存储器包括多个可拆卸地固定的并且并联地分别布置在模块线路中的模块，其中具有可变调节的电阻值的电阻分别布置在所述模块线路中；并且所述电气***包括控制装置，所述控制装置适合于有针对性地调节所述电阻值。
借助这样的电气***能够以特别合适的方式实施按照本发明的方法，这引起了关于按照本发明的方法所提及的优点。
附图说明
按照本发明的主题的其他的优点和有利的设计方案通过附图说明，并且在以下的描述中阐述。在此需要注意，所述附图仅具有描述的特征，并且为此不认为本发明限制在任何一种形式中。附图示出：
图1是用于实施按照本发明的方法的、按照本发明的电气***；
图2是用于可按照本发明使用的能量存储器的模块的部分剖视图。
具体实施方式
本发明涉及一种用于控制电动机的能量供给的方法。此外本发明还涉及一种电气***10，利用所述电气***控制电动机的、尤其是可电驱动的车辆的电动机的能量供给。
在图1中示出了按照本发明的、用于供给电动机能量的电气***10。所述电气***10可以用于各种类型的电动机。但是下面对于可电驱动的车辆的电动机以未受限制的方式进行描述。因此所述按照本发明的***10优选布置在车辆中，所述车辆至少暂时通过至少一个电动机获得驱动力矩的至少一部分，并且用于驱动车辆。在此所述车辆例如不仅可以是纯电动车，也可以是混合动力电动车（HEV）。
所述电气***10包括电能量存储器12。特别地，所述电能量存储器12是电动车电池（Traktionsbatterie）或者说蓄电池，其通过放电供给电动机能量。同时所述能量存储器能够例如通过在制动时获得的能量重新充电。因此能量存储器12用于驱动电动机并且特别地用于驱动可电驱动的车辆，并且包括多个模块14。根据图1，能量存储器包括四个模块14a-n。但是该数目不受限制，更确切地说在电气***10中更多或者更少的模块14也是可行的。所述模块14例如可拆卸地固定在基座（Grundtraeger）上和/或相互固定，进而能够无困难地进行更换。模块14优选分别位于模块线路16中，其中各个模块线路16a-n优选并联，正如在图1中所示出的那样。
模块14a-n优选具有相同的额定电压。模块14的额定电压或者端电压足够用于供给电动机。模块14的额定电压优选处于≥12V至≤1500V的范围内、尤其为400V。通过多个模块14a-n的并联能够提供足够大的电流强度或者说足够的电功率。应该达到的、合适的功率值处于相对于内燃机类似的范围内、例如处于20kW至500kW的范围内，其中此外至少100km的续驶里程（Reichweite）是有利的。
此外，在模块线路16a-n中优选分别设有可变的电阻18a-n，其中能够可变地调节电阻值，以便选择性地加载模块14a-n，或者说引起增强的老化，正如后面所阐述的那样。
为了将能量存储器12与电动机连接，设置功率接口20。能量存储器12通过所述功率接口20尤其能够与车辆的电器网络（Bordnetz）连接。所谓车辆的电器网络这里是指一种网络，通过该网络供给电动机能量。必要时，尤其能够根据电动机的结构形式设置功率电子器件，所述功率电子器件将通过能量存储器12产生的直流电转换成交流电。
此外，所述电气***10包括控制装置22，所述控制装置通过能量存储器12控制电动机的能量供给。因此控制装置22也称作电池管理***，并且响应电流需求从而调节供给负载、例如像车辆的车载***的电流或者说电功率。为了控制电动机的能量供给，控制装置22具有控制接口24，控制装置22通过所述控制接口与可变电阻18连接。有利地通过控制线路26建立在控制接口24与可变电阻18之间的连接。
为了选择性地控制各个模块14a-n的使用寿命进而使能量存储器的使用寿命与车辆的使用寿命脱耦合，控制装置22能够这样区别地控制至少两个模块14a-n的充电和/或放电，从而这些模块14a-n具有负载差，以便选择性地减缓较少加载的模块的老化过程。这例如能够通过如下方式实现：控制装置22触发可变电阻18a-n，其中所述控制装置选择性地调节电阻18a-n的电阻值。
如果例如电阻18a的电阻值被调节得非常低，而电阻18b-n的电阻值调节得非常高，那么相对较高的负载电流流过模块线路16a，而流过模块线路16b-n的负载电流的电流通过（Stromfluss）受到限制。由此模块14a相对强烈地放电并且以这种方式更强烈地加载，而模块14b-n被保护。电阻值优选可在0欧姆和中断通过电流的阻值之间调节，并且这里所述中断通过电流的阻值表示为无穷大。尤其能够如此调节所述电阻值，从而产生平均少于20%的负载差。
替代地对于放电的模块14a来说，尤其能够相对较高地调节电阻18a的电阻值、尤其是调节到无穷大，从而这里中断负载电流的电流通过。以这种方式实际上不能使模块14a充电或者放电，由此进一步的放电/充电过程不能继续进行。通过至少一个模块14a的放电/充电过程的至少一部分的这种反复的选择性的忽略，所述模块与其他模块14b-n相比较能够被保护，而这里其他模块14b-n被更强烈地加载或者说更强烈地老化。当然除了调节可变电阻18a，通过开关中断相应的模块线路16a也能够实现上述情况。
在此当然能够只选择性地增强或者减弱地加载单个模块14a、也或者模块14a-n的预先确定的组。此外负载的强度或者说不同负载的程度能够自由选择。因此能够自由选择单个模块14a或者模块14b-n的组的老化过程。但是总共必须至少两个模块具有负载差。
在按照本发明的方法的范围中，在此所述模块14a-n的选择性的加载能够通过控制装置根据预先确定的模式进行，以便实现各个模块14a-n的预先确定的老化过程进而实现具有预先确定的和期望的分配的使用寿命。
然而为了能够确保模块14的期望的老化过程，控制装置22具有数据接口28。控制装置22通过该数据接口28或者说通过数据线路30a-n与模块14a-n连接。控制装置22能够这样获得关于各个模块14a-n的电压和温度的信息，并且例如由此推导出比如像内阻和/或电容的参量，由此获得关于模块14的老化状态的有用的数据。因此控制装置22有利地包括分析单元，该分析单元由还未老化的模块的电流数据、电压数据、温度信息和/或内阻和电容计算模块的老化状态。上述情况能够例如根据预先规定的模式实现，所述模式尤其根据模块的结构类型储存在控制装置22中。于是，所述控制装置22能够在触发电阻18a-n时考虑各个模块14a-n的实际的老化状态，并且例如对相对快速的和/或不期望的快速的老化做出反应。如果模块14a老化过快，那么控制装置22接下来能够对模块14a更强烈地加载，从而使得所述模块经历增强的老化过程，也或者保护模块14a以便减缓老化过程。各个模块14a-n的使用寿命的期望的分配能够如期望的那样并且与干扰影响无关地被保持。
此外，当一个或者多个模块14a-n到达预先确定的老化状态时，能够通过控制装置22和模块14a-n的反馈显示给能量存储器的用户、尤其是电驱动车辆的驾驶员。在此能够在每个可选择的老化状态中发出信号，从而引起用户对不久必须更换一个或者多个模块14的注意。此外当一个或者多个模块14a-n不再能提供足够的功率和/或电容时能够显示给用户。上述情况例如能够由于老化效应出现或者在其他干扰情况中出现。
此外，当电流测量设备32a-n布置在各个模块线路16a-n中时是有利的。所述电流测量设备32a-n能够测量在各个模块线路16a-n中流动的电流并且这样同样指示出电池的老化状态。此外能够根据电流测量检验电阻值的调节。如果例如在模块线路16中形成其他的电阻或者电阻不恰当地工作，那么能够如此构造调节回路，从而通过所述调节回路即使有意外的干扰因素，控制装置22仍保持模块14的负载不变。为此电流测量设备32a-n有利地通过数据线路30a-n或者通过单独的数据线路与控制装置22连接。
电气***10此外能够具有与电阻18类似的可变电阻19，所述可变电阻19布置在各个与模块线路16相连接的并联线路17中。为此能够使用这些可变电阻19，以便均衡各个模块14a-n或者说其电池，也就是说以期望的方式彼此均衡各个模块14a-n的充电状态或者说端电压。在均衡过程期间，与模块14a串联的电阻18a优选被调节到其最大值、特别调节到无穷大，从而将相邻的模块14b-n排除出该过程。有利地，在并联线路17中布置开关21以中断电流通过。在替代的设计方案中，电阻19也能够设计成电容性或者电感性作用的构件，从而将均衡能量的至少一部分重新供给回到电器网络中或者模块14中。
在图2中示例性地示出了模块14，所述模块可应用于按照本发明的电气***10或者用于按照本发明的方法。模块14包括壳体34，在所述壳体中布置有多个功能单元或者说电池36。根据它们的相比于其他蓄电池***较高的能量密度对于按照本发明的使用来说，锂离子电池是有利的，其中每个模块14优选只包括一种电池类型。
在此模块14能够具有用于立即接通电压的安全开关38（安全插头）。由此一方面能够在电气***10中发生故障时和/或在维修工作时使能量存储器12的电压立刻降到零，由此能够避免关于电气***10的损坏以及人员伤害的潜在危险。此外，通过这种安全开关38能够简化各个模块14的更换。
为了简化各个模块14的更换，所述模块14尤其在其壳体34上具有可快速拆卸的、与整个存储器或者说能量存储器12的连接部。该连接部能够例如构造为插接连接部或者螺纹连接部40，以便例如将模块14固定在基座上和/或固定在其他的模块14上。
为了进行温度补偿，模块14还包括用于空气调节流体（Klimatisierungsfluid）的入口42以及出口44。为了在模块14中引导所述流体，此外在壳体34内部布置相应的通道46，所述通道与入口42和出口44连接。特别地，为了控制空气调节流体的输入，还设置有用于温度测量的测量接口48。在替代的实施方式中，空气调节流体也能够围绕模块14环绕地输送，其中空气调节流体能够通过多个通道直接输送到模块表面。
特别地，模块14具有用于电压测量的测量接口50、52以与控制装置22连接。这些接口例如被称为sens+和sens-接口。利用这些接口能够测量电压并且由此计算电阻18的有待调节的电阻值。在此电阻18能够布置在壳体34内部或者也能够布置在壳体34外部。重要的是，在使用电阻18时为每个模块线路16分配一个电阻18。
最后，所述模块具有电气接口54、56以输出功率，所述电气接口与功率接口20连接。在这些接口处也能够测量电压。

Claims (10)

1. 用于控制电动机、特别是可电驱动的车辆的电动机的能量供给的方法，其中控制装置（22）通过能量存储器（12）控制所述电动机的能量供给，并且其中所述能量存储器（12）包括多个模块（14），所述模块通过反复的充电和/或放电被加载并且由于负载经历老化过程，其特征在于，所述控制装置（22）如此区别地控制至少两个模块的充电和/或放电，从而使得这些模块具有负载差，以便选择性地减缓较少加载的模块的老化过程。
2. 按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述模块（14）分别布置在模块线路（16）中并且并联连接。
3. 按权利要求2所述的方法，其特征在于，通过调节至少一个布置在所述模块线路（16）中的可变电阻（18）的电阻值来控制所述至少两个模块（14）的不同的充电和/或放电。
4. 按权利要求3所述的方法，其特征在于，如此调节所述电阻值，从而使得所述负载差不超过20%的值。
5. 按权利要求2至4的任一项所述的方法，其特征在于，所述至少两个模块（14）的不同的充电和/或放电通过分别布置在所述模块线路（16）中的电流测量设备（32）和/或通过在所述模块（16）中经由所述控制装置（22）进行的电压测量来检验。
6. 按权利要求5所述的方法，其特征在于，基于电流测量和/或电压测量的数据再调节电阻值。
7. 按权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述控制装置（22）考虑各个模块（14）在形成负载差时的不同的老化状态。
8. 按权利要求7所述的方法，其特征在于，所述控制装置（22）分析关于所述模块（14）的电压、温度和/或电流的数据，并且在此尤其计算所述模块的电容和/或内阻，以便考虑所述模块（14）的老化状态。
9. 按权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，使用具有相同额定电压的模块（14）。
10. 电气***、尤其是用于控制可电驱动的车辆的能量供给的电气***，所述电气***包括能量存储器（12）、尤其是用于驱动车辆的电动机的能量存储器，其中所述能量存储器（12）包括多个可拆卸地固定的并且并联地分别布置在所述模块线路（16）中的模块（14），其中具有可变调节的电阻值的电阻（18）分别布置在所述模块线路（16）中；并且所述电气***包括控制装置（22），所述控制装置适合于有针对性地调节所述电阻值。
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