用于對(duì)儲(chǔ)能器設(shè)備的儲(chǔ)能器單池進(jìn)行充電的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于對(duì)儲(chǔ)能器設(shè)備的儲(chǔ)能器單池進(jìn)行充電的方法，所述儲(chǔ)能器設(shè)備具有：n個(gè)第一輸出接線端子，其中n≥1，其用于在所述輸出接線端子中的每個(gè)處輸出供電電壓；第二輸出接線端子，其中可以在第一輸出接線端子端子與第二輸出接線端子之間連接充電設(shè)備；以及n個(gè)并聯(lián)的供能分支，其分別耦合在第一輸出接線端子與第二輸出接線端子之間，其中所述供能分支中的每個(gè)都具有多個(gè)串聯(lián)的儲(chǔ)能器模塊，所述儲(chǔ)能器模塊分別包括具有至少一個(gè)儲(chǔ)能器單池的儲(chǔ)能器單池模塊以及具有耦合元件的耦合設(shè)備，所述耦合元件被設(shè)計(jì)為選擇性地將所述儲(chǔ)能器單池模塊接入到相應(yīng)供能分支中或橋接所述儲(chǔ)能器單池模塊。在此，該方法包括下列步驟：確定為所述儲(chǔ)能器設(shè)備提供充電電壓的充電設(shè)備的最大可能充電電壓；確定供能分支的儲(chǔ)能器單池模塊的最大數(shù)目，其中在所述最大數(shù)目的情況下，儲(chǔ)能器單池模塊的、依賴于供能分支的所有儲(chǔ)能器單池模塊的儲(chǔ)能器單池的瞬時(shí)充電狀態(tài)的輸出電壓之和仍然小于所述最大可能的充電電壓；以及選擇和操控所述供能分支的儲(chǔ)能器模塊的耦合元件，使得分別僅有所述最大數(shù)目的儲(chǔ)能器單池模塊被耦合到所述供能分支中。
【專利說明】用于對(duì)儲(chǔ)能器設(shè)備的儲(chǔ)能器單池進(jìn)行充電的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于對(duì)尤其是用于給電機(jī)供電的電池直接變換電路中的儲(chǔ)能器設(shè)備的儲(chǔ)能器單池進(jìn)行充電的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]已經(jīng)顯示，在未來，在諸如風(fēng)力發(fā)電設(shè)備或太陽能設(shè)備的靜止應(yīng)用中以及在諸如混合動(dòng)力車輛或電動(dòng)車輛之類的車輛中，越來越多地使用將新儲(chǔ)能技術(shù)與電驅(qū)動(dòng)技術(shù)相組合的電子系統(tǒng)。
[0003]多相電流到電機(jī)中的饋入通常是通過脈沖逆變器形式的變換器來實(shí)現(xiàn)的。為此，可以將由直流電壓中間電路提供的直流電壓變換成多相交流電壓、例如三相交流電壓。在此，直流電壓中間電路通過由串聯(lián)的電池模塊構(gòu)成的支路來饋電。為了能夠滿足針對(duì)相應(yīng)應(yīng)用給定的對(duì)功率和能量的要求，常常在牽引電池中將多個(gè)電池模塊串聯(lián)。
[0004]在文獻(xiàn)US 5，642，275 Al中描述了一種具有集成逆變器功能的電池系統(tǒng)。這種類型的系統(tǒng)是以名稱Multilevel Cascaded Inverter (多電平級(jí)聯(lián)變換器)或Battery DirectInverter (電池直接變換器，BDI)已知。這樣的系統(tǒng)包括多個(gè)儲(chǔ)能器模塊支路中的直流電流源，這些儲(chǔ)能器模塊支路可以直接連接到電機(jī)或電網(wǎng)上。在此，可以生成單相或多相供電電壓。在此，儲(chǔ)能器模塊支路具有多個(gè)串聯(lián)儲(chǔ)能器模塊，其中每個(gè)儲(chǔ)能器模塊都具有至少一個(gè)電池單池和所分配的可控耦合單元，所述耦合單元允許根據(jù)控制信號(hào)中斷相應(yīng)的儲(chǔ)能器模塊支路或者橋接分別所分配的至少一個(gè)電池單池或者將分別所分配的至少一個(gè)電池單池接入相應(yīng)的儲(chǔ)能器模塊支路中。通過合適地、例如借助于脈寬調(diào)制操控耦合單元，也可以提供合適的相信號(hào)以用于控制相輸出電壓，從而可以放棄單獨(dú)的脈沖逆變器。因此，為了控制相輸出電壓所需的脈沖逆變器在某種程度上可以說被集成到BDI中。
[0005]BDI通常相對(duì)于傳統(tǒng)系統(tǒng)具有較高的效率和較高的故障安全性。故障安全性尤其是通過以下方式來保證，即可以通過適當(dāng)?shù)貥蚪硬倏伛詈蠁卧獜墓δ苤分袛嚅_有缺陷的、發(fā)生故障的或不是完全有效的電池單池。儲(chǔ)能器模塊支路的相輸出電壓可以通過對(duì)應(yīng)地操控耦合單元被改變并且尤其是分級(jí)地被調(diào)整。輸出電壓的分級(jí)在此由單個(gè)儲(chǔ)能器模塊的電壓得出，其中最大可能的相輸出電壓通過儲(chǔ)能器模塊支路的所有儲(chǔ)能器模塊的電壓之和來確定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 根據(jù)一方面，本發(fā)明提供了一種用于對(duì)儲(chǔ)能器設(shè)備的儲(chǔ)能器單池進(jìn)行充電的方法，所述儲(chǔ)能器設(shè)備具有:n個(gè)第一輸出接線端子，其中n ^ 1，其用于在所述輸出接線端子中的每個(gè)處輸出供電電壓；第二輸出接線端子，其中可以在第一輸出接線端子端子與第二輸出接線端子之間連接充電設(shè)備；以及η個(gè)并聯(lián)的供能分支，其分別耦合在第一輸出接線端子與第二輸出接線端子之間，其中所述供能分支中的每個(gè)都具有多個(gè)串聯(lián)的儲(chǔ)能器模塊，所述儲(chǔ)能器模塊分別包括具有至少一個(gè)儲(chǔ)能器單池的儲(chǔ)能器單池模塊以及具有耦合元件的耦合設(shè)備，所述耦合元件被設(shè)計(jì)為選擇性地將所述儲(chǔ)能器單池模塊接入到相應(yīng)供能分支中或橋接所述儲(chǔ)能器單池模塊。在此，該方法包括下列步驟:確定為所述儲(chǔ)能器設(shè)備提供充電電壓的充電設(shè)備的最大可能的充電電壓；確定供能分支的儲(chǔ)能器單池模塊的最大數(shù)目，其中在所述最大數(shù)目的情況下，儲(chǔ)能器單池模塊的、依賴于供能分支的所有儲(chǔ)能器單池模塊的儲(chǔ)能器單池的瞬時(shí)充電狀態(tài)的輸出電壓之和仍然小于所述最大可能的充電電壓；以及選擇和操控所述供能分支的儲(chǔ)能器模塊的耦合元件，使得分別僅有所述最大數(shù)目的儲(chǔ)能器單池模塊被耦合到所述供能分支中。
[0007]根據(jù)另一方面，本發(fā)明提供了一種具有儲(chǔ)能器設(shè)備的系統(tǒng)，所述儲(chǔ)能器設(shè)備具有:η個(gè)第一輸出接線端子，其中n ^ 1，其用于在所述輸出接線端子中的每個(gè)處輸出供電電壓；第二輸出接線端子，其中可以在第一輸出借此安端子與第二輸出接線端子之間連接充電設(shè)備；以及η個(gè)并聯(lián)的供能分支，其分別耦合在第一輸出接線端子與第二輸出接線端子之間，其中所述供能分支中的每個(gè)都具有多個(gè)串聯(lián)的儲(chǔ)能器模塊，所述儲(chǔ)能器模塊分別包括具有至少一個(gè)儲(chǔ)能器單池的儲(chǔ)能器單池模塊以及具有耦合元件的耦合設(shè)備，所述耦合元件被設(shè)計(jì)為擇性地將所述儲(chǔ)能器單池模塊接入到相應(yīng)供能分支中或橋接所述儲(chǔ)能器單池模塊。該系統(tǒng)還包括控制設(shè)備，所述控制設(shè)備與所述耦合設(shè)備耦合并且被設(shè)計(jì)為執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的用于對(duì)儲(chǔ)能器單池模塊的儲(chǔ)能器單池進(jìn)行充電的方法。
[0008]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)
本發(fā)明的思想是，在充電過程期間將可控儲(chǔ)能器設(shè)備的儲(chǔ)能器單池模塊有針對(duì)性地接入到供能分支中，使得所需的充電電壓在整個(gè)充電過程中都在預(yù)定義的電壓范圍內(nèi)移動(dòng)。為此，可以確定相應(yīng)儲(chǔ)能器單池的充電狀態(tài)，以便由此為每個(gè)儲(chǔ)能器模塊確定所需的充電電壓并且由此將如下的儲(chǔ)能器模塊接入到供能分支中:所述儲(chǔ)能器模塊的累加的所需充電電壓對(duì)應(yīng)于預(yù)定義的電壓 范圍。在具有不同充電狀態(tài)的儲(chǔ)能器單池的情況下，可以循環(huán)地完全交換分別要充電的儲(chǔ)能器單池。
[0009]該布置的顯著優(yōu)點(diǎn)在于，可以縮小在儲(chǔ)能器設(shè)備的整個(gè)充電過程中必須覆蓋的電壓范圍。這所提供的優(yōu)點(diǎn)是，用于對(duì)儲(chǔ)能器單池進(jìn)行充電的充電設(shè)備可以具有更小的輸出電壓范圍，這一方面導(dǎo)致體積和制造成本的節(jié)省，并且另一方面導(dǎo)致改善的效率。充電設(shè)備可以具有更小的變壓器，不再必須被構(gòu)造為多級(jí)的，并且因此可以通過更廉價(jià)和更低要求的器件來實(shí)現(xiàn)。效率間接地通過降低的損耗功率來改善。此外，可以使用具有由于設(shè)計(jì)而僅容許小電壓散布的可替代的拓?fù)涞某潆娫O(shè)備、例如諧振變換器。
[0010]另一優(yōu)點(diǎn)在于，可以通過合適地選擇電壓范圍來將充電設(shè)備用于不同應(yīng)用領(lǐng)域、例如同樣地用于電動(dòng)車輛和混合動(dòng)力車輛。
[0011]此外存在的顯著優(yōu)點(diǎn)在于，在充電過程期間就已經(jīng)可以平衡儲(chǔ)能器單池的例如由于運(yùn)行或由于老化而可能出現(xiàn)的不同充電狀態(tài)，而為此不需要另外的單池平衡方法。由此減小了直到實(shí)現(xiàn)所有儲(chǔ)能器單池的完全充電狀態(tài)為止的總充電時(shí)長。
[0012]根據(jù)本發(fā)明方法的一個(gè)實(shí)施方式，還可以通過如下方式來循環(huán)地交換分別耦合到供能分支中的儲(chǔ)能器單池模塊:在預(yù)定時(shí)間周期中選擇和操控所述供能分支的分別其他儲(chǔ)能器模塊的耦合元件。由此可以同樣地對(duì)所有儲(chǔ)能器模塊進(jìn)行充電，而不延長充電時(shí)間。
[0013]根據(jù)本發(fā)明方法的另一實(shí)施方式，還可以以可改變的占空度來操控所述供能分支的另一未被選擇的儲(chǔ)能器模塊的耦合元件。通過可改變的占空度來將該儲(chǔ)能器模塊所需的平均電壓與瞬時(shí)充電電壓相匹配。如果在一個(gè)有利的實(shí)施方式中，根據(jù)最大可能的充電電壓與儲(chǔ)能器單池模塊的輸出電壓之和的差或者最小可能的充電電壓與儲(chǔ)能器單池模塊的輸出電壓之和的差來確定可改變的占空度，則可以將必須由充電設(shè)備所提供的充電電壓有利地保持為恒定的。
[0014]根據(jù)本發(fā)明方法的另一實(shí)施方式，還可以在充電過程期間監(jiān)視供能分支的所選擇的儲(chǔ)能器模塊的輸出電壓，并且如果所選擇的儲(chǔ)能器單池模塊的輸出電壓之和超過所期望的充電電壓、例如最大可能的充電電壓，則減小供能分支的儲(chǔ)能器單池模塊的所確定的最大數(shù)目。由此可以有利地使得能夠在整個(gè)充電過程中保持在充電設(shè)備的預(yù)定義的電壓范圍中。尤其是當(dāng)根據(jù)一個(gè)有利的實(shí)施方式，減小儲(chǔ)能器單池模塊的所確定的最大數(shù)目包括將所述數(shù)目減小各一個(gè)儲(chǔ)能器單池模塊時(shí)，可能有利的是，不僅在充電過程的每個(gè)時(shí)刻保持在最大可能的充電電壓之下，而且還始終將充電電壓保持在最小可能的充電電壓之上。這用于減小充電設(shè)備的輸出電壓范圍的所需的散布。
[0015]根據(jù)本發(fā)明方法的另一實(shí)施方式，可以在充電過程期間監(jiān)視供能分支的所選擇的儲(chǔ)能器模塊的輸出電壓，并且操控其輸出電壓超過所期望的最終電壓的儲(chǔ)能器模塊的耦合元件，以用于在剩余的充電過程期間將所述儲(chǔ)能器模塊持久地從該供能分支中去耦合。通過這種方式可以實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)是，可以將不同儲(chǔ)能器模塊的儲(chǔ)能器單池模塊置于不同的最終電壓，而不妨害同一供能分支的其他儲(chǔ)能器模塊的其余儲(chǔ)能器單池模塊的充電過程。
[0016]根據(jù)本發(fā)明系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方式，可以設(shè)置充電設(shè)備，所述充電設(shè)備與所述η個(gè)第一輸出接線端子和第二輸出接線端子耦合并且被設(shè)計(jì)為為儲(chǔ)能器設(shè)備提供處于最小可能的充電電壓與最大可能的充電電壓之間的電壓范圍中的充電電壓。
[0017]根據(jù)本發(fā)明系統(tǒng)的另一實(shí)施方式，可以設(shè)置切換設(shè)備，所述切換設(shè)備耦合在充電設(shè)備與所述η個(gè)第一輸出接線端子之間并且被設(shè)計(jì)為將充電設(shè)備選擇性地從儲(chǔ)能器設(shè)備斷開。這有利地使得能夠在儲(chǔ)能器設(shè)備的運(yùn)行期間、例如在結(jié)束充電過程以后將充電設(shè)備與儲(chǔ)能器設(shè)備分開。此外，可以通過切換設(shè)備執(zhí)行各個(gè)供能分支的有針對(duì)性的充電。
[0018]根據(jù)本發(fā)明系統(tǒng)的另一實(shí)施方式，耦合設(shè)備可以包括全橋電路中的耦合元件。
[0019]根據(jù)本發(fā)明系統(tǒng)的另一實(shí)施方式，耦合設(shè)備可以包括半橋電路中的耦合元件。
[0020]本發(fā)明的實(shí)施方式的另外的特征和優(yōu)點(diǎn)從下面參考附圖的描述中得出。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的具有儲(chǔ)能器設(shè)備的系統(tǒng)示意圖；
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式的儲(chǔ)能器設(shè)備的儲(chǔ)能器模塊的示意圖；
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式的儲(chǔ)能器設(shè)備的儲(chǔ)能器模塊的示意圖；
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式的具有儲(chǔ)能器設(shè)備的系統(tǒng)的示意圖；
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式的具有儲(chǔ)能器設(shè)備的系統(tǒng)的示意圖；
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式的儲(chǔ)能器設(shè)備的用于對(duì)儲(chǔ)能器設(shè)備的儲(chǔ)能器單池進(jìn)行充電的操控策略的示意圖；
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式的儲(chǔ)能器設(shè)備的用于對(duì)儲(chǔ)能器設(shè)備的儲(chǔ)能器單池進(jìn)行充電的操控策略的示意圖；
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式的用于對(duì)儲(chǔ)能器設(shè)備的儲(chǔ)能器單池進(jìn)行充電的方法的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]圖1示出了用于對(duì)由儲(chǔ)能器模塊3所提供的直流電壓到η相交流電壓的電壓轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)100。系統(tǒng)100包括具有儲(chǔ)能器模塊3的儲(chǔ)能器設(shè)備I，所述儲(chǔ)能器模塊在供能分支中串聯(lián)。在圖1中示例性地示出了三個(gè)供能分支，所述供能分支適于例如為三相電機(jī)2生成三相交流電壓。但是清楚的是，供能分支的每個(gè)其他數(shù)目同樣是可能的。儲(chǔ)能器設(shè)備I在每個(gè)供能分支處具有第一輸出接線端子la、lb、lc，其分別連接在相線2a、2b或2c上。圖1中的系統(tǒng)100示例性地用于給三相電機(jī)2饋電。但是也可以規(guī)定:將儲(chǔ)能器設(shè)備I用于為供電網(wǎng)2生成電流。
[0023]系統(tǒng)100還可以包括控制設(shè)備9，該控制設(shè)備9與儲(chǔ)能器設(shè)備I連接，并且借助于該控制設(shè)備9可以控制儲(chǔ)能器設(shè)備I以便在相應(yīng)的第一輸出接線端子la、lb、Ic處提供所期望的輸出電壓。此外，控制設(shè)備9可以被設(shè)計(jì)為在對(duì)儲(chǔ)能器設(shè)備I的儲(chǔ)能器單池充電時(shí)操控儲(chǔ)能器設(shè)備I的相應(yīng)的有源開關(guān)元件。
[0024]供能分支可以在其末端處與參考電勢(shì)4 (參考軌)連接，該參考電勢(shì)在所示的實(shí)施方式中相對(duì)于電機(jī)2的相線2a、2b、2c引導(dǎo)平均電勢(shì)。參考電勢(shì)4例如可以是地電勢(shì)。供能分支中的每個(gè)都具有至少兩個(gè)串聯(lián)的儲(chǔ)能器模塊3。在圖1中，每供能分支的儲(chǔ)能器模塊3的數(shù)目示例性地為三個(gè)，但是其中儲(chǔ)能器模塊3的每個(gè)其他數(shù)目同樣是可能的。在此，供能分支中的每個(gè)優(yōu)選地包括相同數(shù)目的儲(chǔ)能器模塊3，但是其中也可能的是，針對(duì)每個(gè)供能分支設(shè)置不同數(shù)目的儲(chǔ)能器模塊3。
[0025]儲(chǔ)能器模塊3分別具有兩個(gè)輸出接線端子3a和3b，通過所述輸出接線端子可以提供儲(chǔ)能器模塊3的輸出電壓。由于儲(chǔ)能器模塊3主要是串聯(lián)的，因此儲(chǔ)能器模塊3的輸出電壓相加得到總輸出電壓，該總輸出電壓可以在儲(chǔ)能器設(shè)備I的第一輸出接線端子la、lb、Ic中的相應(yīng)輸出接線端子處被提供。
[0026]在圖2和3中更詳細(xì)地示出了儲(chǔ)能器模塊3的示例性的構(gòu)造形式。在此，儲(chǔ)能器模塊3分別包括具有多個(gè)耦合元件7a、7c以及必要時(shí)7b和7c的耦合設(shè)備7。儲(chǔ)能器模塊3還分別包括具有一個(gè)或多個(gè)串聯(lián)的儲(chǔ)能器單池5a至5k的儲(chǔ)能器單池模塊5。
[0027]在此，儲(chǔ)能器單池模塊5例如可以具有串聯(lián)的電池5a至5k，例如鋰離子電池。在此，圖2和圖3中所示的儲(chǔ)能器模塊3中的儲(chǔ)能器單池5a至5k的數(shù)目示例性地為兩個(gè)，但是其中儲(chǔ)能器單池5a至5k的其他數(shù)目同樣是可能的。
[0028]儲(chǔ)能器單池模塊5通過連接線與所屬耦合設(shè)備7的輸入接線端子連接。耦合設(shè)備7在圖2中示例性地被構(gòu)造成具有各兩個(gè)耦合元件7a、7b和兩個(gè)耦合元件7b、7d的全橋電路。在此，耦合元件7a、7b、7c、7d可以分別具有有源開關(guān)元件(例如半導(dǎo)體開關(guān))和與之并聯(lián)的空轉(zhuǎn)二極管。在此可以規(guī)定:耦合元件7a、7b、7c、7d構(gòu)造成已經(jīng)具有本征二極管的MOSFET開關(guān)。可替代地可能的是，分別構(gòu)造僅僅兩個(gè)耦合元件7a、7c，使得——如圖3中示例性示出的那樣一實(shí)現(xiàn)半橋電路。
[0029]耦合元件7a、7b、7c、7d可以例如借助于圖1中所示的控制設(shè)備9被操控為使得相應(yīng)的儲(chǔ)能器單池模塊5選擇性地接入輸出接線端子3a和3b之間或者儲(chǔ)能器單池模塊5被橋接。參考圖2，儲(chǔ)能器單池模塊5例如可以以正向接入在輸出接線端子3a和3b之間，其方式是將耦合元件7d的有源開關(guān)元件和耦合元件7a的有源開關(guān)元件置于閉合狀態(tài)，而耦合元件7b和7c的兩個(gè)剩余的有源開關(guān)元件被置于斷開狀態(tài)。橋接狀態(tài)例如可以通過如下方式來調(diào)整:將耦合元件7a和7b的兩個(gè)有源開關(guān)元件置于閉合狀態(tài)，而耦合元件7c和7d的兩個(gè)有源開關(guān)元件保持為斷開狀態(tài)。類似的考慮可以針對(duì)圖3中的半橋電路作出。
[0030]因此，通過合適地操控耦合設(shè)備7，可以將儲(chǔ)能器模塊3的各個(gè)儲(chǔ)能器單池模塊5有針對(duì)性地集成到供能分支的串聯(lián)電路中。這尤其可以是為了有針對(duì)性地操控耦合設(shè)備7以用于在儲(chǔ)能器模塊3的儲(chǔ)能器單池5的充電過程期間選擇性地將儲(chǔ)能器模塊3的儲(chǔ)能器單池模塊5接入到供能分支中。
[0031]針對(duì)儲(chǔ)能器模塊3的每個(gè)儲(chǔ)能器單池模塊5的儲(chǔ)能器單池5a至5k的充電過程，可以設(shè)置充電設(shè)備6，所述充電設(shè)備在圖1中的示例性實(shí)施方式中一方面通過第一充電連接2d與電機(jī)2的星點(diǎn)連接，并且另一方面通過儲(chǔ)能器設(shè)備I的第二輸出接線端子Id連接供電電壓以用于對(duì)儲(chǔ)能器單池5a至5k進(jìn)行充電。充電設(shè)備6可替代地例如也可以是外部電能源、如電能網(wǎng)等等。
[0032]圖4示出了用于進(jìn)行由儲(chǔ)能器模塊3所提供的直流電壓到η相交流電壓的電壓轉(zhuǎn)換的另一系統(tǒng)200的示意圖。系統(tǒng)200與圖1中所示系統(tǒng)100的區(qū)別基本上在于，充電設(shè)備2d的充電連接2d直接耦合到儲(chǔ)能器設(shè)備I的各個(gè)供能分支的第一輸出接線端子la、lb、lc。為此,充電連接例如可以通過第一轉(zhuǎn)換設(shè)備6a與第一輸出接線端子la、lb、Ic f禹合。第一轉(zhuǎn)換設(shè)備6a例如可以具有半導(dǎo)體開關(guān)，該半導(dǎo)體開關(guān)在應(yīng)當(dāng)給儲(chǔ)能器設(shè)備I的儲(chǔ)能器單池模塊5充電時(shí)可以被閉合。另外，可以在儲(chǔ)能器設(shè)備I的第一輸出接線端子la、lb、Ic與電機(jī)2的相接線端子之間構(gòu)造第二轉(zhuǎn)換設(shè)備6b，該第二轉(zhuǎn)換設(shè)備6b被設(shè)計(jì)為在儲(chǔ)能器設(shè)備I的充電過程中將電機(jī)2從儲(chǔ)能器設(shè)備I解耦合，以便避免電機(jī)中出現(xiàn)不希望的電流以及由此可能的轉(zhuǎn)矩。第二轉(zhuǎn)換設(shè)備6b例如也可以具有半導(dǎo)體開關(guān)，該半導(dǎo)體開關(guān)可以針對(duì)充電過程被斷開。
[0033]圖5示出了另一系統(tǒng)400的示意圖。系統(tǒng)400為此具有儲(chǔ)能器設(shè)備10，該儲(chǔ)能器設(shè)備通過第一輸出接線端子1a和第二輸出接線端子1b與變換器13的輸入接線端子耦合。儲(chǔ)能器設(shè)備10可以具有串聯(lián)的儲(chǔ)能器模塊3的一個(gè)或多個(gè)供能分支，這如圖2和圖3中示例性地示出那樣。在儲(chǔ)能器設(shè)備10與變換器13之間例如可以耦合具有中間電路電容器12和儲(chǔ)能器扼流圈11的LC濾波器。變換器13例如可以通過脈寬調(diào)制法(PWM)提供交流電壓、例如用于電機(jī)2的三相交流電壓。為此，可以從中間電路電容器12給變換器13饋送直流電壓，該中間電路電容器12又從儲(chǔ)能器設(shè)備10被饋電。
[0034]用于對(duì)儲(chǔ)能器設(shè)備10的儲(chǔ)能器單池模塊5充電的充電設(shè)備5例如可以超出輸出接線端子1a和1b地耦合。針對(duì)充電過程，可以設(shè)置控制設(shè)備9，該控制設(shè)備9與儲(chǔ)能器設(shè)備10耦合并且被設(shè)計(jì)為通過選擇性地操控儲(chǔ)能器設(shè)備10的儲(chǔ)能器模塊3的耦合設(shè)備7來有針對(duì)性地將儲(chǔ)能器設(shè)備10的儲(chǔ)能器單池模塊5接入到儲(chǔ)能器設(shè)備10的一個(gè)或多個(gè)供能分支中。
[0035]圖6示出了儲(chǔ)能器設(shè)備的用于對(duì)儲(chǔ)能器設(shè)備的儲(chǔ)能器單池、尤其是圖1或圖4中的儲(chǔ)能器設(shè)備I或圖5中的儲(chǔ)能器設(shè)備10的儲(chǔ)能器單池5a至5k進(jìn)行充電的操控策略的示意圖。圖7示出了儲(chǔ)能器設(shè)備的用于對(duì)儲(chǔ)能器設(shè)備的儲(chǔ)能器單池、尤其是圖1或圖4中的儲(chǔ)能器設(shè)備I或圖5中的儲(chǔ)能器設(shè)備10的儲(chǔ)能器單池5a至5k進(jìn)行充電的另一操控策略的不意圖。
[0036]在圖6和圖7中分別示出了示例性的電壓圖，所述電壓圖相對(duì)于儲(chǔ)能器單池的充電狀態(tài)SOC示出了儲(chǔ)能器單池的電壓U。例如，處于完全放電狀態(tài)、即SOC = 0%的鋰離子電池具有大于O伏的基本電壓。為了對(duì)這樣的鋰離子電池進(jìn)行充電，需要提供至少該基本電壓。鋰離子電池的輸出電壓隨著充電狀態(tài)增加在充電狀態(tài)SOC為100%時(shí)提高到高達(dá)標(biāo)稱電壓。在鋰離子電池的串聯(lián)電路的情況下,這些值相應(yīng)地升高。
[0037]在圖6和7中，示例性地針對(duì)儲(chǔ)能器單池模塊5的儲(chǔ)能器單池5a至5k的串聯(lián)電路示出電壓變化曲線kl。在供能分支中的多個(gè)儲(chǔ)能器單池模塊5的串聯(lián)電路的情況下，得出相應(yīng)的電壓變化曲線k2、k3、k4、k5和k6。這些電壓變化曲線例如可以通過測(cè)量儲(chǔ)能器單池在不同充電狀態(tài)下的輸出電壓來確定，并且作為參考值存儲(chǔ)在儲(chǔ)能器設(shè)備的控制設(shè)備中。
[0038]在圖6中，充電過程始于首先確定儲(chǔ)能器單池的充電狀態(tài)。例如，所有儲(chǔ)能器單池的充電狀態(tài)為0%，使得首先在SOC = 0%的值的情況下確定開始時(shí)所需的充電電壓。如果儲(chǔ)能器單池的充電狀態(tài)大于0%，則有類似的思考方式成立。在該示例中，確定儲(chǔ)能器單池模塊的數(shù)目:在所述數(shù)目的情況下，儲(chǔ)能器單池模塊的輸出電壓之和正好仍小于最大可能的充電電壓Umax。最大可能的充電電壓Umax可以通過所使用的充電設(shè)備來設(shè)置，并且例如為200伏至450伏之間，其中當(dāng)然其他值同樣是可能的。充電設(shè)備此外具有電壓散布，也就是說，充電設(shè)備可以提供在最小可能的充電電壓Umin與最大可能的充電電壓Umax之間的充電電壓范圍。在此，最小可能的充電電壓Umin應(yīng)當(dāng)小于所有儲(chǔ)能器單池在完全放電狀態(tài)下的基本電壓之和，因?yàn)榉駝t不能保證在每種情況下都能發(fā)起充電過程。在此，當(dāng)然可能的是，將最小可能的充電電壓Umin和最大可能的充電電壓Umax的值與所期望的充電情況靈活地相匹配，也就是說，不一定需要最小可能的充電電壓Umin和最大可能的充電電壓Umax的值必須由充電設(shè)備的技術(shù)情況來預(yù)先給定。
[0039]在圖6的本示例中，電壓變化曲線k6是如下的變化曲線:在SOC = 0%時(shí)在最大數(shù)目的儲(chǔ)能器單池模塊的情況下的輸出電壓之和恰好仍小于最大可能的充電電壓Umax。如果該數(shù)目為分別所觀察的供能分支中的所有儲(chǔ)能器單池模塊的總數(shù)目，則可以簡單地開始所有儲(chǔ)能器單池模塊的充電。但是如果該數(shù)目小于分別所觀察的供能分支中的所有儲(chǔ)能器單池模塊的總數(shù)目，則必須對(duì)儲(chǔ)能器單池模塊進(jìn)行選擇，這在后面予以闡述。
[0040]在充電過程開始以后，儲(chǔ)能器單池的充電狀態(tài)升高，使得儲(chǔ)能器單池的所需的充電電壓也在一定程度上升高，這在圖6中示出。在一定的充電狀態(tài)SOC = pl時(shí)，儲(chǔ)能器單池的該所需充電電壓恰好達(dá)到最大可能的充電電壓Umax的值。在這種情況下，降低同時(shí)被充電的儲(chǔ)能器單池模塊的數(shù)目，使得現(xiàn)在數(shù)目減小的儲(chǔ)能器單池模塊的電壓變化曲線k5對(duì)于充電電壓是起決定性作用的。例如，電壓變化曲線k5可以對(duì)應(yīng)于與同電壓變化曲線k6相關(guān)聯(lián)數(shù)目的儲(chǔ)能器單池模塊相比減小一定數(shù)目的儲(chǔ)能器單池模塊。
[0041]在下面的充電變化曲線中，不再給所有儲(chǔ)能器單池模塊同時(shí)供應(yīng)充電電壓。因此必須保證:使所有儲(chǔ)能器單池模塊處于相同的充電狀態(tài)，其方式是，循環(huán)地完全交換活躍的儲(chǔ)能器單池模塊。為此，可以在預(yù)定的時(shí)間周期以后選擇新的活躍的儲(chǔ)能器單池模塊，使得每個(gè)儲(chǔ)能器單池模塊平均在相同的累加時(shí)間段上被供應(yīng)充電電壓。
[0042]在充電狀態(tài)SOC = p2時(shí)，該過程重新地重復(fù)，使得在圖6的示例中，通過對(duì)一定數(shù)目的儲(chǔ)能器單池模塊同時(shí)進(jìn)行充電來進(jìn)行完全充電狀態(tài)SOC = 100%，其中該數(shù)目對(duì)應(yīng)于電壓變化曲線k4。
[0043]在圖7中示出圖6的操控策略的另一改動(dòng)方案。首先，在充電過程開始時(shí)，再次確定最大數(shù)目的儲(chǔ)能器單池模塊，所述最大數(shù)目恰好仍小于所期望的充電電壓UL，例如最大可能的充電電壓Umax或者最小可能的充電電壓Umin。該數(shù)目在圖7的示例中對(duì)應(yīng)于與電壓變化曲線k4相關(guān)聯(lián)的數(shù)目。但是同時(shí)，以可改變的占空度tl來操控另一儲(chǔ)能器單池模塊，該占空度可以根據(jù)充電電壓UL與由電壓變化曲線k4確定的儲(chǔ)能器單池模塊的輸出電壓之和的差來形成。由此，充電電壓UL與電壓變化曲線k4之間的差值電壓在平均上恰好被平衡，由此可以將充電電壓UL保持在恒定的值。在充電狀態(tài)SOC = p3時(shí)，又減小持久地同時(shí)接入到供能分支中的儲(chǔ)能器單池模塊的數(shù)目。此外，在圖7中類似于圖6，再次將所有同時(shí)接入到供能分支中的儲(chǔ)能器單池模塊循環(huán)地交換。這些儲(chǔ)能器單池模塊中的另一儲(chǔ)能器單池模塊自充電狀態(tài)SOC = p2起于是用可改變的占空度t2來操控。
[0044]在前面的闡述中，出發(fā)點(diǎn)示例性地曾是，電壓變化曲線kl至k6分別涉及儲(chǔ)能器單池模塊的相同充電狀態(tài)之和，也就是說，儲(chǔ)能器單池模塊中的每個(gè)都通過充電過程被置于相同的最終充電狀態(tài)或相同的最終電壓。利用前面詳述的操控策略還可能的是，將不同儲(chǔ)能器單池模塊置于不同的最終充電狀態(tài)或最終電壓。在此，可以得出與圖6和圖7所示的電壓變化曲線不同的電壓變化曲線。
[0045]例如，可以在充電過程期間監(jiān)視供能分支的所選擇的儲(chǔ)能器模塊的輸出電壓。如果確定了特定儲(chǔ)能器模塊的輸出電壓超過所期望的最終電壓，則所述儲(chǔ)能器模塊的耦合元件可以被操控為使得所述儲(chǔ)能器模塊持久地、即在剩余充電過程期間從供能分支去耦合。通過能夠?qū)⒉煌瑑?chǔ)能器模塊的儲(chǔ)能器單池模塊選擇性地耦合到供能分支中，可以將儲(chǔ)能器單池模塊中的每個(gè)置于不同的最終電壓，而不妨害同一供能分支的其他儲(chǔ)能器模塊的其余儲(chǔ)能器單池模塊的充電過程。
[0046]利用圖6和7中示意性和示例性示出的操控策略，可以實(shí)現(xiàn)圖8中示意性示出的用于對(duì)儲(chǔ)能器設(shè)備、尤其是圖1或4中的儲(chǔ)能器設(shè)備I或圖5中的儲(chǔ)能器設(shè)備10的儲(chǔ)能器單池進(jìn)行充電的方法20。
[0047]在方法20的第一步驟21中，確定為儲(chǔ)能器設(shè)備I或10提供充電電壓UL的充電設(shè)備6的最大可能的充電電壓Umax。在第二步驟22中,確定供能分支的儲(chǔ)能器單池模塊5的最大數(shù)目，其中在所述最大數(shù)目的情況下，依賴于供能分支的所有儲(chǔ)能器單池模塊5的儲(chǔ)能器單池5a至5k的瞬時(shí)充電狀態(tài)的儲(chǔ)能器單池模塊5的輸出電壓之和仍小于最大可能的充電電壓Umax。
[0048]然后在步驟23中選擇:供能分支的儲(chǔ)能器模塊3的哪些耦合元件7a、7b、7c、7d被操控，使得分別僅有在步驟22中確定的最大數(shù)目的儲(chǔ)能器單池模塊5被耦合到該供能分支中。此外還可能的是，在充電過程期間監(jiān)視供能分支的所選擇的儲(chǔ)能器模塊3的輸出電壓，如果所選擇的儲(chǔ)能器單池模塊5的輸出電壓之和超過最大可能的充電電壓Umax，則可以減少供能分支的儲(chǔ)能器單池模塊5的所確定的最大數(shù)目。減小該數(shù)目例如可以遞進(jìn)地進(jìn)行，也就是說，在確定最大可能的充電電壓Umax被超過的情況下,所選擇的儲(chǔ)能器單池模塊5的數(shù)目可以減少各一個(gè)。由此始終最大化瞬時(shí)可同時(shí)充電的儲(chǔ)能器單池模塊5的數(shù)目，使得可以最小化充電過程的總充電時(shí)長。[0049]在步驟24a中，可以通過如下方式循環(huán)地交換分別耦合到供能分支中的儲(chǔ)能器單池模塊5:在預(yù)定時(shí)間周期中選擇和操控所述供能分支的分別其他儲(chǔ)能器模塊3的耦合元件7a、7b、7c、7d。由此使得能夠?qū)λ袃?chǔ)能器單池模塊5同樣地進(jìn)行充電。同時(shí)可以規(guī)定:在步驟24b中，以可改變的占空度來操控供能分支的另一未被選擇的儲(chǔ)能器模塊3的耦合元件7a、7b、7c、7d。如果可改變的占空度是根據(jù)最大可能的充電電壓Umax與儲(chǔ)能器單池模塊5的輸出電壓之和的差來確定的，則充電電壓UL可以有利地被保持在恒定的值，因?yàn)樵谝钥筛淖兊恼伎斩葋聿倏氐膬?chǔ)能器單池模塊3處，在平均上恰好可以調(diào)整最大可能的充電電壓與恰好選擇的儲(chǔ)能器模塊3的分級(jí)式和輸出電壓之間的差值電壓。
【權(quán)利要求】
1.一種用于對(duì)儲(chǔ)能器設(shè)備(I)的儲(chǔ)能器單池(5a，5k)進(jìn)行充電的方法(10)，所述儲(chǔ)能器設(shè)備⑴具有: η個(gè)第一輸出接線端子(la，lb, lc; 10a)，其中η≥1，其用于在所述輸出接線端子(Ia, lb, I c; 10a)中的每個(gè)處輸出供電電壓； 第二輸出接線端子(Id; 10b),其中能夠在第一輸出接線端子(la, lb, lc; 10a)與第二輸出接線端子(I d; 1b)之間連接充電設(shè)備(6);以及 η個(gè)并聯(lián)的供能分支,其分別I禹合在第一輸出接線端子(la, lb, lc; 10a)與第二輸出接線端子(I d; 1b)之間，其中所述供能分支中的每個(gè)都具有多個(gè)串聯(lián)的儲(chǔ)能器模塊(3)，所述儲(chǔ)能器模塊分別包括: 儲(chǔ)能器單池模塊(5)，其具有至少一個(gè)儲(chǔ)能器單池(5a，5k);以及具有耦合元件(7a，7b, 7c, 7d)的耦合設(shè)備(7)，所述耦合元件(7a，7b, 7c, 7d)被設(shè)計(jì)為選擇性地將儲(chǔ)能器單池模塊(5)接入到相應(yīng)的供能分支中或橋接所述儲(chǔ)能器單池模塊(5)， 其中該方法(10)具有步驟: 確定(21)為儲(chǔ)能器設(shè)備(I ; 10)提供充電電壓(UL)的充電設(shè)備(6)的最大可能的充電電壓(Umax);確定(2 2)供能分支的儲(chǔ)能器單池模塊(5)的最大數(shù)目，其中在所述最大數(shù)目的情況下，儲(chǔ)能器單池模塊(5)的、依賴于供能分支的所有儲(chǔ)能器單池模塊(5)的儲(chǔ)能器單池(5a，5k)的瞬時(shí)充電狀態(tài)的輸出電壓之和仍然小于最大可能的充電電壓(Umax);以及 選擇和操控(23)所述供能分支的儲(chǔ)能器模塊(3)的耦合元件(7a，7b, 7c, 7d)，使得分別僅有所述最大數(shù)目的儲(chǔ)能器單池模塊(5)被耦合到所述供能分支中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法(20)，還具有步驟: 通過如下方式循環(huán)地交換(24a)分別耦合到所述供能分支中的儲(chǔ)能器單池模塊(5):在預(yù)定時(shí)間周期中選擇和操控所述供能分支的分別其他儲(chǔ)能器模塊(3)的耦合元件(7a，7b, 7c, 7d)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2之一所述的方法(20)，還具有步驟: 以可改變的占空度(tl; t2)來操控(24b)所述供能分支的另一未被選擇的儲(chǔ)能器模塊(3)的耦合元件(7a, 7b, 7c, 7d)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法(20)，其中根據(jù)最大可能的充電電壓(Umax)與儲(chǔ)能器單池模塊(5)的輸出電壓之和的差或者最小可能的充電電壓(Umin)與儲(chǔ)能器單池模塊(5)的輸出電壓之和的差來確定可改變的占空度(tl; t2)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述的方法(20)，還具有步驟: 在所述充電過程期間監(jiān)視所述供能分支的所選擇的儲(chǔ)能器模塊(3)的輸出電壓；以及如果在所選擇的儲(chǔ)能器單池模塊(5)的輸出電壓之和超過所期望的充電電壓，則減小供能分支的儲(chǔ)能器單池模塊(5)的所確定的最大數(shù)目。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法(20)，其中減少儲(chǔ)能器單池模塊(5)的所確定的最大數(shù)目包括:將所述數(shù)目減少各一個(gè)儲(chǔ)能器單池模塊(5)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6之一所述的方法(20)，還具有步驟: 在所述充電過程期間監(jiān)視所述供能分支的所選擇的儲(chǔ)能器模塊(3)的輸出電壓；以及操控其輸出電壓超過所期望的最終電壓的儲(chǔ)能器模塊(3)的耦合元件(7a，7b, 7c,7d)，以用于在剩余的充電過程期間將儲(chǔ)能器模塊(3)持久地從所述供能分支中去耦合。
8.一種系統(tǒng)(100; 200; 300)，具有: 儲(chǔ)能器設(shè)備(1 ； 10)，其具有: η個(gè)第一輸出接線端子(1a，1b, 1c; 10a)，其中η≥1，其用于在所述輸出接線端子(1a,1b, 1c; 10a)中的每個(gè)處輸出供電電壓； 第二輸出接線端子(1d; 10b),其中能夠在第一輸出接線端子(1a, 1b, 1c; 10a)與第二輸出接線端子(1d; 10b)之間連接充電設(shè)備(6);以及 η個(gè)并聯(lián)的供能分支,其分別1禹合在第一輸出接線端子(1a, 1b, 1c; 10a)與第二輸出接線端子(1 d; 1b)之間，其中所述供能分支中的每個(gè)都具有多個(gè)串聯(lián)的儲(chǔ)能器模塊(3)，所述儲(chǔ)能器模塊分別包括: 儲(chǔ)能器單池模塊(5)，其具有至少一個(gè)儲(chǔ)能器單池(5a，5k)，以及 具有耦合元件(7a，7b, 7c, 7d)的耦合設(shè)備(7)，所述耦合元件(7a，7b, 7c, 7d)被設(shè)計(jì)為選擇性地將儲(chǔ)能器單池模塊(5)接入到相應(yīng)的供能分支中或橋接所述儲(chǔ)能器單池模塊(5);以及 控制設(shè)備(9)，其與耦合設(shè)備(7)耦合并且被設(shè)計(jì)為執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1至7之一所述的用于對(duì)儲(chǔ)能器單池模塊(5)的儲(chǔ)能器單池(5，5k)進(jìn)行充電的方法。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)(100;200; 300)，還具有: 充電設(shè)備(6),其與所述η個(gè)第一輸出接線端子(1a, 1b, 1c; 10a)和第二輸出接線端子(1d; 10b)耦合，并且被設(shè)計(jì)為為儲(chǔ)能器設(shè)備(1; 10)提供處于最小可能的充電電壓(Um1n)與最大可能的充電電壓(Umax)之間的電壓范圍中的充電電壓。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)(100;200; 300)，還具有: 轉(zhuǎn)換設(shè)備(6a),其f禹合在充電設(shè)備(6)與所述η個(gè)第一接線端子(1a, 1b, 1c; 10a)之間并且被設(shè)計(jì)為將充電設(shè)備(6)選擇性地與儲(chǔ)能器設(shè)備(1; 10)斷開。
11.根據(jù)權(quán)利要求8至10之一所述的系統(tǒng)(100;200; 300)，其中耦合設(shè)備(7)包括全橋電路中的耦合元件(7a，7b, 7c, 7d)。
12.根據(jù)權(quán)利要求8至10之一所述的系統(tǒng)(100;200; 300)，其中耦合設(shè)備(7)包括半橋電路中的耦合元件(7a，7c)。
【文檔編號(hào)】H02J7/00GK104040824SQ201280062817
【公開日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2012年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月20日
【發(fā)明者】I.德韋特曼, P.福伊爾施塔克, E.魏森博恩, M.克斯勒, K.隆哈德, W.哈斯 申請(qǐng)人:羅伯特·博世有限公司