用于借助于蓄电池直接转换器和所属的控制装置来运行电气的牵引驱动系统的方法

摘要

本发明涉及一种用于运行电气的驱动系统(10)的方法，该驱动系统包括电机(70)和具有多个蓄电池组(120)的蓄电池(110)。该些蓄电池组(120)分别具有多个蓄电池模块(130、140)，它们分别在相应的蓄电池组的输出端子方面选择性地与正极或者负极连接或者能够在相应的蓄电池组中进行桥接，从而使得每个蓄电池组(120)提供可调节的输出电压。此外，该些蓄电池模块(130、140)在该牵引驱动系统(10)的运行之中响应于规定的功能地加以监控。其中，当检测到至少一个所连接的蓄电池模块(130、140)的技术上的故障时桥接该至少一个蓄电池模块(130、140)并且该牵引驱动系统(10)进入过渡状态，在该状态下该电机(70)如此地由该些蓄电池组(120)的剩余连接的蓄电池模块(130、140)继续供电并且操控，使得该电机不产生任何转矩。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于运行电气的驱动系统的方法，该驱动系统 包括电机和具有多个蓄电池组的蓄电池。在这些蓄电池组中分别设 置多个蓄电池模块，它们分别在相应的蓄电池组的输出端子方面与 正极或者负极选择性地连接或者能够在相应的蓄电池组中进行桥 接，从而使得每个蓄电池组提供可调节的输出电压。此外，本发明 涉及所属的用于操控牵引驱动系统的装置和相应的蓄电池系统。再 者，本发明涉及一种具有该蓄电池系统和/或具有依据本发明的装置 的车辆。

背景技术

由现有技术已知了一种蓄电池，其应用于混合动力和电动车辆 之中并且被描述为牵引蓄电池，因此，其被用于为电气的驱动装置 馈电。

在图1中示出了由现有技术已知的电气的牵引驱动系统10的原 理电路图，例如在电动和混合动力车辆或者也在静态的应用诸如风 力发电设备的叶片调节之中加以使用。蓄电池(牵引蓄电池)11连 接至直流电压中间电路，该直流电压中间电路通过电容器60来缓冲。 连接至该直流电压中间电路的还有脉冲逆变器或者脉冲转换器50， 其分别经由两个可控的半导体阀51和两个二极管52在三个输出端 处为电机70的运行而提供相互相移的正弦电压。为了简化图示在附 图中仅设置了一个半导体阀和一个二极管具有附图标记。电容器60 的电容选择为足够大，以便在直流电压中间电路之中以一个持续时 间来稳定电压，在该持续时间之中可控的半导体阀51是导通的。在 实际的应用诸如电动车辆之中该电容需要mF范围内的高的容量。

作为电机(电动机)70在此类的牵引驱动装置10之中通常使用 交流电机。通常来说，其中将涉及异步电机、磁励同步电机或者它 励同步电机。为了给电机70馈电通常使用脉冲转换器50，其在电动 和混合动力车辆之中在牵引领域通常以半导体开关51来实施，它们 被构造为具有绝缘栅极的双极型晶体管(IGBT)。

在图1中加以示出的蓄电池11包括蓄电池组12，在该蓄电池组 之中串联连接以及可选地附加地并联连接有多个蓄电池单元21，以 便达到针对相应的应用的期望的高的输出电压和蓄电池容量，其中， 为了简化图示，在附图中仅仅设置了一个具有附图标记的蓄电池单 元。在该蓄电池单元21的正极和正的蓄电池端子22之间连接有充 电和分离装置30。可选地能够附加地在该蓄电池单元的负极和负的 蓄电池端子23之间连接有一个分离装置40。

该分离和充电装置30和分离装置40分别包括接触器31或41， 该接触器被设置用于将蓄电池单元21从蓄电池端子22、23分离以 便无电压地开关该蓄电池端子22、23。否则，缘于串联连接的蓄电 池单元21的高的直流电压的缘故，将会给维护人员或者其他人员带 来显著的危险可能性。附加地，在该充电和分离装置30之中设置充 电接触器32，其具有串联连接至该充电接触器32的充电电阻33。 在此，首先断开该接触器31并且仅闭合充电接触器32。如果在正的 蓄电池端子22处的电压达到了蓄电池单元21的电压，那么该接触 器31能够闭合并且在必要时断开充电接触器32。接触器31、41和 充电接触器32并非未显著地提高蓄电池11的成本，因为对于其可 靠性和待由其传输的电流提出了较高的要求。

如果在此类的牵引驱动装置的牵引蓄电池中出现了技术上的问 题，该问题要么直接导致蓄电池单元的故障要么在该蓄电池的后续 运行中导致蓄电池的安全性相关的不安全状态，那么该蓄电池将由 蓄电池管理系统引入安全的状态。该状态将依据现有技术在锂离子 蓄电池系统之中通过将该蓄电池通过断开充电和分离装置的接触器 从直流电压中间电路分离来实现。

牵引驱动装置的管理系统然后必须正确对待这样的情形，即该 蓄电池不再提供为储能器。其中，与该电机的运行状态相关地通过 该管理系统基本上仅能达到不会导致对于脉冲逆变器或者逆变器的 毁坏。逆变器的毁坏能够例如通过该直流电压中间电路的不被允许 的强的电压上升而引起。因此，该管理系统能够不再考虑行驶动态 性重要的牵引驱动装置的特性或者能够由于蓄电池的分离而在理论 上完全不再调节该牵引驱动装置的行驶动态性有意义的特性。

由此带来的后果便是该牵引驱动装置由于行驶动态性的视点而 输出不期望的或者不被允许的转矩，尤其是突然出现的非常大的负 的转矩。这必须然后通过附加的措施例如通过机械的空载来在车辆 的此类的牵引驱动装置的整体构思中加以控制。这样的附加措施通 常是价格高昂的并且是极不期望的，因为这仅在蓄电池中的技术上 的故障的情况下是必须的并且因此通常情况下并不加以使用。

在本申请人先前的具有档案号DE 10 010 027 864 A1的专利申 请之中描述了一种多相蓄电池系统，该蓄电池系统带有具有分级可 调节的输出电压的蓄电池。在图2中示出了具有此类的蓄电池110 的驱动系统(牵引驱动装置)10的方框图。蓄电池110包括多个蓄 电池组120，在这些蓄电池组之中分别设置有带有串联连接和/或并 联连接的蓄电池单元的多个蓄电池模块130、140。这些蓄电池模块 130、140能够经由分别与其相关联的所谓的耦合单元(未单独示出) 分别以正的或者负的方向串联连接或者桥接在所属的蓄电池组120 之中。在最上面的蓄电池模块130的正极和正的蓄电池组端子122 之间在每个蓄电池组120之中连接有一个充电和分离装置30。可选 地，能够附加地在最下面的蓄电池模块140的负极和负的蓄电池组 端子123之间在每个蓄电池组120之中连接有一个分离装置40。特 别地，在三相的实施形式之中，具有此类的蓄电池110的系统也被 描述为蓄电池直接转换器(DINV)。如果牵引驱动装置10以使用 此类的蓄电池直接转换器的方式来实现，那么在图1中所示出的牵 引蓄电池10和脉冲逆变器(逆变器)50将通过蓄电池直接转换器 110来替代。

在图2中加以示出的蓄电池直接转换器110的每一相的输出电 压UBS的可能的曲线在图3中加以示出。其中，所示出的输出电压 UBS为由蓄电池组120所产生的电压。图3示出了蓄电池组120的 输出电压120与以正的或者负的方向加以连接至蓄电池组120的蓄 电池模块130、140的数量k之间的关联性。在此，连接至每个蓄电 池组120的蓄电池模块130、140分别具有相同的模块电压UM。在 与所连接的蓄电池模块130、140的数量k的关联性中所示出的蓄电 池组120的输出电压UBS是线性的并且对于蓄电池模块130、140 来说遵循以下关系UBS＝k*UM，蓄电池模块130、140以正的方向或 者正的极性连接至所属的蓄电池组120，或者对于蓄电池模块130、 140来说遵循以下关系即UBS＝-k*UM，这些蓄电池模块130、140 以负的方向或者负的极性连接至所属的蓄电池组120。其中有：1<k<n 且n为能够连接至蓄电池组120的蓄电池模块130、140的最大的数 量。然后，蓄电池组120的最大的输出电压UBS能够采用相应于 n*UM的值。然后，蓄电池组120的最小的输出电压UBS能够采用 相应于-n*UM的值。

发明内容

依据本发明提供了一种用于驱动电气的牵引驱动系统的方法， 所述牵引驱动系统包括电机和具有多个蓄电池组的蓄电池。所述多 个蓄电池组具有多个蓄电池模块，所述多个蓄电池模块能够分别选 择性地正极地或者负极地与相应的蓄电池组的输出端子相连接或者 能够在相应的蓄电池组中加以桥接，从而使得每个蓄电池组提供可 调节的输出电压。在运行中响应于规定的功能来监控所述多个蓄电 池模块。然后，当其中监测到至少一个所连接的蓄电池模块的技术 上的故障时桥接该至少一个蓄电池模块并且将所述牵引驱动系统过 渡引入过渡状态，在该过渡状态所述电机如此地由所述多个蓄电池 组的其余所连接的蓄电池模块继续供电并且操控使得所述电机不产 生任何转矩。

依据本发明还提供了用于控制电气的牵引驱动系统的所属的装 置，所述牵引驱动系统具有带有以正的或者负的方向可连接或者可 解耦的蓄电池模块的蓄电池。依据本发明，所述装置被构造为在运 行时响应于规定的功能而监控所述多个蓄电池模块并且当在监控时 检测到至少一个蓄电池模块的技术上的故障时如此地操控所述牵引 驱动系统(10)，使得所述牵引驱动系统过渡进入过渡状态，在所 述过渡状态所述电机在所述至少一个被检测为有缺陷的蓄电池模块 处于经桥接的状态期间如此地由所连接的蓄电池组(120)的蓄电池 模块继续供电并且控制，使得所述电机不产生任何转矩。

依据本发明尤其是涉及蓄电池，所述蓄电池以蓄电池直接转换 器(DINV)来驱动并且在其输出端能够直接三相的交变电压系统。

特别地，在电动和混合动力车辆之中所述牵引蓄电池能够被实 施为蓄电池直接转换器。所述蓄电池直接转换器的输出电压能够分 别在最小的输出电压和最大可能的输出电压之间分级可调。当在该 相中的所有的蓄电池模块以负的方向即以负极通过与其相关联的耦 合单元加以连接时然后达到一相或者蓄电池组的所述最小的输出电 压。当在该相中的所有的蓄电池模块以正的方向或者正极相连接时 然后相应地达到所述最大的输出电压。

如果在所述蓄电池直接转换器的实施蓄电池模块中的一个蓄电 池模块中出现了技术上的故障例如突然的未能预告的故障或者至少 一个在其中设置的蓄电池单元的故障功能时，其中，所述故障功能 至少在另一次运行时会导致所涉及的蓄电池模块的安全性相关的状 态，那么该蓄电池模块将会借助于与其相关联的耦合单元首先桥 接。。该蓄电池模块因此不会再为该蓄电池直接转换器的蓄电池提 供电能或者从其吸收电能。其余的蓄电池模块能够在识别技术上的 缺陷之后继续在该蓄电池模块中的一个蓄电池模块之中为牵引驱动 装置馈电。

本发明有利地设置，即在蓄电池直接转换器的蓄电池中出现技 术上的故障时限定所述牵引驱动装置并且可靠地过渡进入无转矩的 状态(空载)。这出自行驶动态性的观点显著地改善了由现有技术 已知的情形并且相应于当今在以内燃机来驱动时出现的情形，当驾 驶员在重要的行驶情况下出现在耦合之上时。

由现有技术已知的关于驱动功能例如执行机械的空载的附加措 施同样能够由此省掉，这些机械的空载仅在出现蓄电池的故障时需 要并且使用。依据本发明的方法和依据本发明的装置在无硬件措施 的情况下作出并且能够因此在没有相应的附加成本的情况下用于实 现依据本发明的驱动系统的制造。

在本发明的一个特别的实施形式之中，所述电机被构造为交流 电机，其中，为了将所述驱动系统过渡进入无转矩的状态之中借助 于场方向的调节将所述电机的定子电流的形成转矩的电流分量在预 先确定的时间内调节至零。

此外，在将所述驱动系统过渡进入无转矩的状态之中之后尤其 是能够执行蓄电池诊断，借助于该诊断来决定是否借助于所述蓄电 池以故障的蓄电池模块继续驱动所述牵引驱动装置和/或引入另外的 安全性相关的措施。

换句话说，所述驱动装置的无转矩的状态能够被用作故障驱动 状态或者用于过渡驱动状态，直至通过蓄电池诊断或者通过故障诊 断能够决定是否或者如何在没有安全性风险的情况下继续驱动所述 牵引蓄电池。其中，所述驱动装置例如能够以较低的性能继续加以 驱动。

为了在蓄电池中出现技术上的故障时能够快速地过渡进入无转 矩的运行状态并且然后借助于蓄电池诊断来决定所述蓄电池是否能 够例如以经降低的存储容量和经降低的性能继续加以驱动，这将在 接下来更加详细地加以描述：

依据本发明，有利地如此持续驱动所述驱动装置，使得所述驱 动装置的管理装置然后当所述蓄电池直接转换器的任意的蓄电池模 块严重地故障时也得以确保安全。该措施能够对所允许的最大电压 产生影响，该允许的最大电压为保持其管理装置正常所需要的钳位 交流电流驱动装置。此外，由此将确定在多大的转速时将异步电机 驱动进入所谓的弱场驱动并且不再在其轴上输出其最大的可能转 矩。如果在蓄电池模块中出现了故障情况，那么所述驱动装置也能 够在桥接该有故障的蓄电池模块时在该机械的钳位处调节用于连续 地管理所述电机所必须的电压比。所述交流电机然后经由所谓的场 方向的管理装置如此驱动，使得形成转矩的电流最快可能地调节至 零并且所述机械然后以空载来驱动，所述管理装置的应用在旋转驱 动装置中由现有技术已经是已知的了。相较于形成场的分量的变化， 形成转矩的分量能够以显著更小的时间常数来加以变化。如果所述 驱动装置处于空载，那么借助于所述蓄电池的状态的诊断来决定是 否存在仅涉及一个蓄电池模块技术上的问题或者是否存在涉及整个 蓄电池的问题。

依据本发明，当借助于具有至少一个经桥接的有缺陷的蓄电池 模块的蓄电池来继续维持所述牵引驱动系统的运行时，所述牵引驱 动系统过渡引入运行状态，在该运行状态所述电机以减小了相应于 所述经桥接的有缺陷的蓄电池模块的蓄电池模块电压的电压值的蓄 电池组电压来馈电。

另一方面，也能够将足够多的另外的蓄电池模块作为所述至少 一个经桥接的有缺陷的蓄电池模块的替代来加以连接。在此类的工 作方式中，所述电机能够与未变化的或者仅较小地降低的输出电压 继续加以供电。

换句换说，能够与所执行的蓄电池诊断的结果有关地决定所述 牵引驱动装置是仅以一个有缺陷的蓄电池模块的连接端来继续驱动 还是必须引入另外的措施来确保安全性，例如关断另外的蓄电池模 块或者警示驾驶员。

从所述蓄电池的当前的状态出发，也还能够安全地控制两个或 者多个蓄电池模块的严重的故障。这意味着在驱动装置运行时仅仅 相较于最大提供的电压来保持相对应高的电压储备。

在本发明的特别有利的实施形式之中，当所述牵引驱动系统借 助于具有故障的且经桥接的蓄电池模块的蓄电池继续馈电并且后续 另外的蓄电池模块故障时，所述牵引驱动系统借助于相应地重复的 方法继续驱动。这意味着前述的依据本发明的方法当所述蓄电池已 经具有有缺陷的模块时仍然还是可用的，还能够继续驱动其余的蓄 电池。为此，所述蓄电池管理系统或者所述驱动装置的管理系统必 须仅仅考虑以一定比例来适配可提供的最大电压、存储容量和所述 蓄电池的性能。该比例由蓄电池模块的故障所产生。

借助于依据本发明的方法和相应的装置能够安全地控制以下情 形，在该情形下任意的蓄电池模块中的至少一个故障。其中，所述 驱动装置将被安全地引入无转矩的状态之中。

根据本发明的其他方面提供了一种电气的蓄电池系统，其包括 具有多个蓄电池组的蓄电池，在多个蓄电池组之中分别设置多个蓄 电池模块。所述蓄电池模块能够分别在相应的蓄电池组的输出端子 方面选择性地与正极或者负极相连接或者在所述蓄电池组之中加以 桥接。此外，所述蓄电池系统装备有依据本发明的控制装置。

依据本发明，所述蓄电池尤其是锂离子蓄电池。

此外，依据本发明提供了一种车辆，其具有电机以及蓄电池系 统和/或依据本发明的装置，其中，该蓄电池系统或者装置被设置在 该车辆的动力总成系统之中。

本发明的有利的改进方案将在从属权利要求中给出并且在说明 书中加以描述。

附图说明

借助于附图和后续的说明书进一步阐述本发明的实施例。其中：

图1示出了现有技术中已知的具有电机的牵引驱动装置的原理 电路图，该电机与具有蓄电池组的蓄电池相连接，该蓄电池组由多 个蓄电池单元所构造而成；

图2示出了由现有技术已知的具有电机的牵引驱动装置的原理 电路图，该电机与具有三个蓄电池组的蓄电池相连接，该些蓄电池 组分别由分别具有至少一个蓄电池单元的多个蓄电池模块所构造而 成，其中，该些蓄电池模块为了产生每个蓄电池组的可调节的输出 电压而串联连接至所属的蓄电池组并且加以桥接地构造；

图3示出了在图2中所示出的蓄电池的每个蓄电池组的、与连 接至相应的蓄电池组的蓄电池模块的数量相关的输出电压的可能的 曲线；以及

图4示出了根据本发明的第一实施形式的具有电机的牵引驱动 装置的原理电路图，该电机与具有三个蓄电池组的蓄电池相连接， 该些蓄电池组分别由多个分别具有至少一个蓄电池单元的多个蓄电 池模块所构造而成，其中，该些蓄电池模块为了产生每个蓄电池组 的可调节的输出电压而串联连接至所属的蓄电池组并且加以桥接地 构造。

具体实施方式

在图4中示出了依据本发明的第一实施形式的牵引驱动装置10 的原理电路图。

该牵引驱动装置包括具有三个蓄电池组120的蓄电池(牵引蓄 电池)110，该些蓄电池组在其三个输出端为了电机70的运行而提 供相互相移的正弦电压。

该电机70被构造为交流电机。

蓄电池110的多个蓄电池组120分别由多个蓄电池模块130、140 所构造而成，多个蓄电池模块分别能够串联连接至所属的蓄电池组 120并且分别包括串联连接和/或并联连接的多个蓄电池单元。

为了简化图示，在图4中每个蓄电池组120仅仅示出了两个蓄 电池模块130、140。该些蓄电池模块130、140能够通过分别与之关 联的耦合单元(未单独示出)在所属的蓄电池组120之中以正的或 者负的方向加以连接或者桥接。在最上面的蓄电池模块130的正极 和正的蓄电池组端子122之间在每个蓄电池组120之中连接一个充 电和分离装置30，其和出自图2的充电和分离装置一样地加以构造。 可选地，附加地在最下面的蓄电池模块140的负极和负的蓄电池组 端子123之间在每个蓄电池组120之中连接一个分离装置40，其如 出自图1的分离装置那样地加以构造。具有此类的蓄电池110的系 统也将被描述为蓄电池直接转换器(DICO)。

牵引驱动装置110还包括控制装置200，该控制装置分别与每个 蓄电池组120的蓄电池模块130、140的连接端(未示出)电连接。 该控制装置200被构造为测量每个蓄电池组120的单个的蓄电池模 块130、140的电压。此外，该控制装置200也被设置为当在该驱动 系统10运行期间至少一个连接至蓄电池组120的蓄电池模块130、 140故障时借助于具有已故障的且经桥接的蓄电池模块130、140的 该蓄电池110来为电机70继续馈电并且通过该控制线210如此地继 续驱动，使得该驱动系统10引入无转矩状态。特别地，为了将该驱 动系统10过渡入无转矩的状态而借助于场方向(feldorientiert)的调 节将被构造为交流电机的电机70的定子电流的形成转矩的电流分量 立刻调节至零。该控制装置200还被构造为在该驱动系统10被引入 无转矩的状态之中之后执行蓄电池诊断。然而，借助于该蓄电池诊 断将继续驱动至少一个已故障的蓄电池模块和/或是否引入另外的安 全相关的措施。