用于对蓄能器装置的蓄能器电池进行再充电的方法和具有可再充电的蓄能器电池的蓄能器装置

摘要

本发明涉及一种用于对具有多个串联在至少一个能量供应支路中的蓄能器模块的蓄能器装置的蓄能器电池加热的方法，所述蓄能器模块分别包括具有至少一个蓄能器电池的蓄能器电池模块和具有耦合元件的耦合装置，所述耦合元件被设计用于将该蓄能器电池模块选择性地连接或桥接到相应的能量供应支路中。该方法在此包括以下步骤：通过控制至少一个第一蓄能器模块的耦合装置以便在第一预定时间间隔内将第一蓄能器模块的蓄能器电池模块与直流电压中间电路耦合，将电能从第一蓄能器模块的蓄能器电池模块传输到与该蓄能器装置耦合的直流电压中间电路中，以及在该第一预定时间间隔过去之后，通过控制至少一个第二蓄能器模块的耦合装置以便在第二预定时间间隔内将第二蓄能器模块的蓄能器电池模块与该直流电压中间电路耦合，将在该直流电压中间电路中所传输的电能传输到第二蓄能器模块的蓄能器电池模块中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于对蓄能器装置的蓄能器电池进行再充电的方法和一种具有可再充电的蓄能器电池的蓄能器装置、特别是一种具有用于电运行车辆的模块化的电池组系统的蓄能器装置。

背景技术

呈现出，今后不仅在固定的应用、诸如风力设施或太阳能设备中，而且在车辆、诸如混合动力车辆或电动车辆中增加地使用电子系统，所述电子系统将新的蓄能器工艺与电驱动技术相结合。

多相电流到电机中的馈入通常通过脉冲逆变器形式的变流器来实现。为此可以将由直流电压中间电路所提供的直流电压变流为多相交流电压、例如三相交流电压。在此由串行布线的电池组模块构成的支路对直流电压中间电路馈电。为了可以满足针对相应的应用所给定的对功率和能量的要求，经常将多个电池组模块串联在牵引电池组中。

文献DE 10 2010 027 857 A1和DE 10 2010 027 861 A1公开了蓄能器装置中的模块化布线的电池组电池，所述电池组电池可以通过耦合单元的合适的控制选择性地被耦合到由串行布线的电池组电池构成的支路中或从该支路去耦。该类型的系统以名称Battery Direct Converter（电池组直接转换器，BDC）而已知。这样的系统包括蓄能器模块支路中的直流电源，所述直流电源可以连接到直流电压中间电路上以便通过脉冲逆变器给电机或电网供应电能。

蓄能器模块支路在此具有多个串联的蓄能器模块，其中每个蓄能器模块具有至少一个电池组电池和所分配的可控的耦合单元，该耦合单元允许根据控制信号桥接分别被分配的至少一个电池组电池或将分别被分配的至少一个电池组电池连接到相应的蓄能器模块支路中。该耦合单元可以可选地被形成，使得该耦合单元附加地允许将分别被分配的至少一个电池组电池也以反向极性连接到相应的蓄能器模块支路中或也中断相应的蓄能器模块支路。

BDC相对于常规的系统通常具有更高的效率和更高的故障安全性。故障安全性尤其通过以下方式被保证，即有缺陷的、故障的或不是完全有效率的电池组电池可以通过耦合单元的合适的桥接控制从能量供应支路断开。蓄能器模块支路的总输出电压可以通过耦合单元的相应的控制而被改变并且特别是分级地被设定。输出电压的分级在此由单独的蓄能器模块的电压得出，其中最大可能的总输出电压通过蓄能器模块支路的所有蓄能器模块的电压的总和来确定。

为了设定蓄能器模块的输出电压，可以进行耦合单元的脉宽调制（PWM）的控制。由此可以通过接通或关断时间的有目的的改变将所期望的中值作为蓄能器模块电压输出。

在这样的BDC中所使用的电池组电池由于制造和老化决定的波动而在电池组电池放电的情况下遭受充电状态的不同的时间变化曲线。由于不同的充电状态，在BDC的运行期间可能出现电池组电池的不同的荷载，这可能损害BDC的寿命和效率，特别是因为在BDC的运行持续时间期间轻微的差别可能扩大。

因此存在对以下方法的需求，该方法可以相互均衡BDC的电池组电池的充电状态，而不损失能量或产生废热。

发明内容

根据一个方面，本发明创造一种用于对具有多个串联在至少一个能量供应支路中的蓄能器模块的蓄能器装置的蓄能器电池进行再充电的方法，所述蓄能器模块分别包括具有至少一个蓄能器电池的蓄能器电池模块和具有耦合元件的耦合装置，所述耦合元件被设计用于将该蓄能器电池模块选择性地连接或桥接到相应的能量供应支路中。该方法在此包括以下步骤：通过控制至少一个第一蓄能器模块的耦合装置以便在第一预定时间间隔内将第一蓄能器模块的蓄能器电池模块与直流电压中间电路耦合，将电能从该第一蓄能器模块的蓄能器电池模块传输到与该蓄能器装置耦合的直流电压中间电路中，以及在该第一预定时间间隔过去之后，通过控制至少一个第二蓄能器模块的耦合装置以便在第二预定时间间隔内将第二蓄能器模块的蓄能器电池模块与该直流电压中间电路耦合，将在该直流电压中间电路中所传输的电能传输到该第二蓄能器模块的蓄能器电池模块中。

根据另一方面，本发明创造一种系统，该系统具有蓄能器装置，该蓄能器装置具有多个串联在至少一个能量供应支路中的蓄能器模块，所述蓄能器模块分别包括具有至少一个蓄能器电池的蓄能器电池模块和具有耦合元件的耦合装置，所述耦合元件被设计用于将该蓄能器电池模块选择性地连接或桥接到相应的能量供应支路中。该系统此外具有与该蓄能器装置的输出端子耦合的直流电压中间电路和控制装置，该控制装置与所述耦合装置耦合，并且该控制装置被设计用于选择性地控制所述蓄能器装置的耦合装置以便提供蓄能器装置的总输出电压并且执行根据本发明的方法。

本发明的构思是，具有串行布线在至少一个能量供应支路中的电池组电池的模块化地被构建的蓄能器装置通过利用被耦合到该蓄能器装置上的直流电压中间电路作为临时的蓄能器在有效的均衡运行模式中运行，在该均衡运行模式中电能可以从一个蓄能器模块提取，临时被存储在该直流电压中间电路中并且被再充电到另外的蓄能器模块中。

这一方面具有以下优点，即不同蓄能器模块的蓄能器电池的充电状态的差别可以在该蓄能器装置运行期间有效并且动态地被均衡，这可以持久地改进蓄能器装置的寿命和效率。优点在于，如果蓄能器装置正好不是在有效的运行模式中、例如在电运行车辆的行驶运行中被利用，那么用于对蓄能器电池进行再充电的方法也可以被利用。

另一方面，能够在没有废热形式的电能损失的情况下或至少以很少的废热形式的电能损失实现蓄能器电池的再充电。由此提高蓄能器装置以及因此电运行车辆的电驱动系统的总效率。

此外，不需要附加的系统组件用于有效的再充电方法的实施，因为所使用的器件总归存在于驱动系统中。在此特别有利的是，也可以将存在的组件所固有的电特性、诸如寄生输出电感一起包括到该再充电方法中，由此可以优化该方法的效率。

按照根据本发明的方法的一种实施方式，第一预定时间间隔的持续时间可以依赖于直流电压中间电路中的电压的数值。

按照根据本发明的方法的另一种实施方式，该方法此外可以包括以下步骤，即通过控制所述耦合装置以便在该第一预定时间间隔和该第二预定时间间隔之间的第三预定时间间隔内桥接所述能量供应支路之一中的所有蓄能器模块来使该直流电压中间电路通过该能量供应支路短路。在此直流电压中间电路的短路可以通过至少一个耦合电感进行，该耦合电感被耦合在蓄能器装置和直流电压中间电路之间。

按照根据本发明的方法的另一种实施方式，如果直流电压中间电路的电压低于至少一个第二蓄能器模块的电压，那么可以在第三预定时间间隔内进行该直流电压中间电路的短路。这提供以下优点，即该直流电压中间电路可以与耦合电感和/或蓄能器电池的寄生电感作为升压转换器共同起作用，以便将充电电压升压。

按照根据本发明的方法的另一种实施方式，可以以被定时的方式进行第一蓄能器模块的耦合装置的控制，使得来自第一蓄能器模块的蓄能器电池模块的电流不超过第一预定电流极限值。

按照根据本发明的方法的另一种实施方式，可以以被定时的方式进行第二蓄能器模块的耦合装置的控制，使得进入第二蓄能器模块的蓄能器电池模块中的电流不超过第二预定电流极限值。

按照根据本发明的方法的另一种实施方式，可以通过耦合电感进行直流电压中间电路的短路。耦合电感在此可以有利地保证升压转换器功能。

按照根据本发明的系统的一种实施方式，耦合装置可以在全桥电路中包括耦合元件。替代地，耦合装置可以在半桥电路中包括耦合元件。

按照根据本发明的系统的另一种实施方式，该系统此外可以包括耦合电感，该耦合电感被耦合在蓄能器装置的输出端子和直流电压中间电路之间。

按照根据本发明的系统的另一种实施方式，该系统此外可以包括脉冲逆变器，该脉冲逆变器与直流电压中间电路耦合，并且该脉冲逆变器由该直流电压中间电路馈送输入电压。

按照根据本发明的系统的另一种实施方式，该系统此外可以包括电机，该电机与脉冲逆变器耦合，并且该电机由该脉冲逆变器供应相电压。

本发明的实施方式的其它特征和优点从参考附图的随后的说明中得出。

附图说明

图1示出根据本发明的一种实施方式的具有蓄能器装置的系统的示意图；

图2示出根据图1的蓄能器装置的蓄能器模块的一个实施例的示意图；

图3示出根据图1的蓄能器装置的蓄能器模块的另一个实施例的示意图；以及

图4示出根据本发明的另一种实施方式的用于对蓄能器装置的蓄能器电池进行再充电的方法的示意图。

具体实施方式

图1示出用于由蓄能器模块3所提供的直流电压到n相交流电压的电压变换的系统100。该系统100包括具有蓄能器模块3的蓄能器装置1，所述蓄能器模块串联在能量供应支路中。该能量供应支路被耦合在蓄能器装置1的两个输出端子1a和1b之间，所述两个输出端子分别被耦合到直流电压中间电路2b上。图1中的系统100示例性地用于给三相电机6馈电。然而也可以规定，蓄能器装置1被用于产生用于能量供应网络6的电流。此外可能的是，蓄能器装置1拥有多个并联的能量供应支路，所述能量供应支路同样具有与在图1中所示出的能量供应支路相应的拓扑。并联的能量供应支路可以全部与蓄能器装置1的两个输出端子1a和1b耦合，并且被用于产生蓄能器装置1的总输出电压。

此外蓄能器装置1通过耦合电感2a与直流电压中间电路2b耦合。耦合电感2a例如可以是有目的地连接在直流电压中间电路2b和蓄能器装置1的输出端子1a之间的感应扼流圈。替代地，也可以是可能的是，耦合电感2a通过在蓄能器装置1和直流电压中间电路2b之间的布线中总归存在的寄生电感来构成。

直流电压中间电路2b可以给脉冲逆变器4馈电，该脉冲逆变器由直流电压中间电路2b的直流电压提供三相交流电压。该三相交流电压可以被提供用于电机6。脉冲逆变器4例如可以以空间矢量脉宽调制（SVPWM，“space vector pulse width modulation”）运行。电机6的相位的数量在此是不受限制的，相位的任何其它数量同样可以是可能的。电机6在此可以包括三相交流电机、磁阻电机、电励磁或永久励磁同步电机、异步电机或无电刷直流电动机（BLDC，“brushless DC motor”）。

系统100此外可以包括控制装置8，该控制装置与蓄能器装置1连接，并且借助该控制装置可以控制蓄能器装置1，以便将蓄能器装置1的所期望的总输出电压提供给相应的输出端子1a、1b。此外控制装置8可以被设计用于在对蓄能器装置1的蓄能器电池进行再充电时控制蓄能器装置1的相应的耦合元件或有源开关元件。

蓄能器装置1的能量供应支路具有至少两个串联的蓄能器模块3。蓄能器模块3的数量在图1中示例性地为四个，其中然而蓄能器模块3的任何其它的数量同样是可能的。蓄能器模块3分别具有两个输出端子3a和3b，通过所述输出端子可以提供蓄能器模块3的模块输出电压。因为蓄能器模块3最初是串联的，所以蓄能器模块3的模块输出电压相加为总输出电压，该总输出电压在蓄能器装置1的输出端子1a、1b上被提供。

蓄能器模块3的两个示例性的结构形式在图2和图3中更详细地被示出。蓄能器模块3在此分别包括具有多个耦合元件7a、7c以及7b和7d的耦合装置7。蓄能器模块3此外分别包括具有一个或多个串联的蓄能器电池5a至5k的蓄能器电池模块5。

蓄能器电池模块5在此例如可以具有串联的电池5a至5k、例如锂离子电池或蓄电池。在此，图2和图3中所示出的蓄能器模块3中的蓄能器电池5a至5k的数量示例性地为两个，其中然而蓄能器电池5a至5k的任何其它的数量同样是可能的。蓄能器电池模块5具有U_M的端电压并且通过连接线与所属的耦合装置7的输入端子连接。因此电压U_M施加在所属的耦合装置7的输入端上。

在图2中，其中间抽头与输出端3a连接的串联的耦合元件7a和7c构成全桥的所谓的左分支并且其中间抽头与输出端3b连接的串联的耦合元件7b和7d构成全桥的所谓的右分支。耦合装置7在图2中被构造为具有各两个耦合元件7a、7c和两个耦合元件7b、7d的全桥电路。耦合元件7a、7b、7c、7d在此分别可以具有有源开关元件、例如半导体开关和与其并联的空转二极管。耦合装置7a、7b、7c、7d例如可以具有场效应晶体管（FET）、具有绝缘栅的双极型晶体管（IGBT）或其它合适的晶体管类型或基于晶闸管的组件。在合适地选择功率晶体管开关的情况下，空转二极管例如也可以被集成到功率晶体管开关中。

耦合元件7a、7b、7c、7d可以例如借助在图1中所示出的控制装置9来控制，使得相应的蓄能器电池模块5选择性地被连接在输出端子3a和3b之间或蓄能器电池模块5被桥接。参考图2，蓄能器电池模块5例如可以通过以下方式以正向被连接在输出端子3a和3b之间，即耦合元件7d的有源开关元件和耦合元件7a的有源开关元件被置于闭合的状态，而耦合元件7b和7c的两个其余的有源开关元件被置于打开的状态。在该情况下，电压U_M施加在耦合装置7的输出端3a和3b之间。桥接状态例如可以通过以下方式被设定，即耦合元件7a和7b的两个有源开关元件被置于闭合的状态，而耦合元件7c和7d的两个有源开关元件被保持在打开的状态。第二桥接状态例如可以通过以下方式被设定，即耦合元件7c和7d的两个有源开关被置于闭合的状态，而耦合元件7a和7b的有源开关元件被保持在打开的状态。在两种桥接状态下，电压0施加在耦合装置7的两个输出端3a和3b之间。同样，蓄能器电池模块5可以通过以下方式以反向被连接在耦合装置7的输出端子3a和3b之间，即耦合元件7b和7c的有源开关元件被置于闭合的状态，而耦合元件7a和7d的两个有源开关元件被置于打开的状态。在该情况下，电压-U_M施加在耦合装置7的两个输出端3a和3b之间。

通过耦合装置7的合适的控制，蓄能器模块3的各个蓄能器电池模块5因此可以有目的地被集成到能量供应支路的串联电路中。由此可以通过有目的地控制耦合装置7以便选择性地将蓄能器模块3的蓄能器电池模块5连接到能量供应支路中而提供总输出电压，该总输出电压依赖于蓄能器模块3的蓄能器电池模块5的各个输出电压。总输出电压在此可以分别分级地被设定，其中分级的数量利用蓄能器模块3的数量来缩放。在n个蓄能器模块3的情况下，能量供应支路的总输出电压可以以2n+1级被设定在-n·U_M，…，0，…，+n·U_M之间。

图3示出蓄能器模块3的另一种示例性的构型形式的示意图。在此耦合装置7仅仅包括耦合元件7a和7c，所述耦合元件可以作为半桥电路将蓄能器电池模块5或者在桥接状态下或者在开关状态下以正向连接到能量供应支路中。此外，与结合图3针对那里所示出的全桥电路中的蓄能器模块3所解释的控制规则相似的控制规则适用。

图4示出用于对蓄能器装置的蓄能器电池、例如图1中的蓄能器装置1的蓄能器电池5a至5k进行再充电的方法10的示意图。为了解释该方法10，示例性地参考图1中的蓄能器装置1的利用A或B来表示的蓄能器模块3，其中该方法10原则上适合于在图1中的蓄能器装置1的蓄能器模块3中的任意蓄能器模块之间的电能的再充电。该方法10特别适合于在电运行车辆中使用，所述电运行车辆具有作为电机6的电动机。

作为第一步骤11，该方法10可以通过控制至少一个第一蓄能器模块3的耦合装置7以便在第一预定时间间隔内将第一蓄能器模块3的蓄能器电池模块5与直流电压中间电路2b耦合来将电能从第一蓄能器模块3的蓄能器电池模块5传输到与蓄能器装置1耦合的直流电压中间电路2b中。如果应该从蓄能器模块A提取电荷，那么例如蓄能器模块A可以在确定的持续时间内被连接到能量供应支路中。蓄能器模块3的数量在此原则上是没有限制的，其中可以从所述蓄能器模块同时提取电荷。第一预定时间间隔的持续时间可以依赖于直流电压中间电路2b中的电压的数值。如果直流电压中间电路2b被充电到预定电荷值，那么该步骤11例如可以被结束。

在从蓄能器模块A传输电能之后，可以在可选的步骤12中在短时间内进行所有耦合装置7的打开，以便避免不希望的短路，以及以便消除注入到耦合电感2a中的电流。

在第一预定时间间隔过去之后，作为第三步骤，该方法10然后可以通过控制至少一个第二蓄能器模块3的耦合装置7以便在第二预定时间间隔内将第二蓄能器模块3的蓄能器电池模块5与直流电压中间电路2b耦合来将在直流电压中间电路2b中传输的电能传输到第二蓄能器模块3的蓄能器电池模块5中。如果应该将电荷馈入到蓄能器模块B中，那么例如蓄能器模块B可以在确定的持续时间内被连接到能量供应支路中。蓄能器模块3的数量在此原则上是没有限制的，其中可以同时将电荷馈入到所述蓄能器模块中。

如果蓄能器装置1拥有多个能量供应支路，那么电能也可以跨越支路在不同的能量供应支路的蓄能器模块3之间被再充电。

如果直流电压中间电路2b中的电压高于要充电的蓄能器模块3的电压，那么电荷可以在步骤14中从直流电压中间电路2b直接被馈入到第二蓄能器模块3中。如果直流电压中间电路2b上的电压下降到了要充电的第二蓄能器模块3的水平，那么第二预定时间间隔在此可以被结束。此后，该方法10可以在重新的步骤11中被重复，以便开始另外的再充电过程。

如果直流电压中间电路2b中的电压低于要充电的蓄能器模块3的电压，那么首先在中间步骤13a中耦合电感2a和直流电压中间电路2b的电容可以作为升压转换器共同起作用，使得可以被提供给能量供应支路中的第二蓄能器模块3的电压可以通过存在于直流电压中间电路2b中的电压的升压在耦合电感2a中被提高。为此首先通过控制耦合装置7以便在第三预定时间间隔内桥接能量供应支路中的所有蓄能器模块3来执行直流电压中间电路2b通过能量供应支路的短路。此后，电荷可以在步骤13b中从直流电压中间电路2b被馈入到第二蓄能器模块3中，直至耦合电感2a中的电流又下降到了零。此后，该方法10可以在重新的步骤11中被重复，以便开始另外的再充电过程。

针对步骤13a，蓄能器电池5a至5k或蓄能器电池模块5的寄生电感例如也可以被一起包括在内，以便保证升压转换器功能。

用于对直流电压中间电路进行充电或放电的蓄能器模块3的耦合装置7的控制可以以被定时的方式进行，使得来自或进入蓄能器模块3的蓄能器电池模块5的电流不超过预定电流极限值，即蓄能器模块3可以断断续续地被连接到能量供应支路中，以便不超过蓄能器电池模块5的电流极限值。

该方法10可以在蓄能器装置1的静止运行状态下、即在以下运行模式中被执行，在该运行模式中蓄能器装置1不必为脉冲逆变器4提供供电电压。替代地，该方法10也可以在脉冲逆变器4的低功率消耗的状态下进行，使得在直流电压中间电路2b中可供使用的电荷的一部分可以被再充电到确定的蓄能器电池模块5中。