用於存儲電能的系統的製作方法

2023-09-09 20:50:05

專利名稱：用於存儲電能的系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種根據權利要求I的前序部分中詳細定義類型的用於存儲電能的系統。本發明還涉及一種用於存儲電能的存儲單元。
背景技術：
由通常的現有技術已知了用於存儲電能的系統、並且在此特別是用於存儲電動車輛中或特別是混合動力車輛中的牽引電能的系統。以典型的方式，這種用於存儲電能的系統包括單獨的存儲單元，存儲單元例如彼此電串聯和/或並聯。原則上，可以考慮不同類型的蓄電池單元或電容器單元作為存儲單元。由於在存儲和獲取能量時，在車輛的、在此特別是商用車的傳動系中應用時，能量總量和特別是功率相對較高，因此優選地將能量存儲量和功率足夠高的那些存儲單元用作存儲單元。在此例如可以使用鋰離子技術中的蓄電池單元，但或者特別是功率非常強的雙層電容器形式的存儲單元。這種電容器在本技術領域中通常也稱為超級電容器、Supercaps或Ultra-Capacitorso和現在是否使用具有高能量存儲量的傳統類型的超級電容器或蓄電池單元無關，在這種由多個可以總體上或以單元組形式彼此串聯的存儲單元組成的系統中，單個存儲單元的電壓取決於結構類型地限制於上電壓值或者說閾電壓。如果例如在對用於存儲電能的系統充電時超過了該上電壓值，那麼通常會迅速縮短存儲單元的使用壽命。基於預定的製造公差，單獨的存儲單元在其特性、例如自放電方面在實際中典型地彼此略微偏差。這導致在用於單獨的存儲單元的運行中可以產生比系統中的其它存儲單元小一些的運行電壓。然而由於對於總的系統的最大電壓通常保持相等，並且最大總電壓特別在充電時是典型的控制標準，因此這不可避免地導致了，其它的存儲單元具有高一些的電壓並且在充電過程中然後超過允許的特殊的最大電壓極限充電，而這些存儲單元和具有較低的運行電壓的存儲單元串聯。如上面已經提到的那樣，這種過壓導致這些單獨的存儲單元和進而是用於存儲電能的系統的可能的使用壽命顯著縮短。為了解決該問題，一般的現有技術主要認識到兩種不同類型的所謂的單元電壓補償。「單元電壓補償」的通常普遍的專業術語在此略微產生了誤導，這是因為在此並不將單獨的存儲單元的電壓或更確切地說是能量存儲量彼此間進行補償，而是僅僅使具有高電壓的單元在其過高的電壓方面減小。由於用於存儲電能的系統的(多個)總電壓保持固定，然而因此可以通過所謂的單元電壓補償使在其電壓方面減小的單元隨著時間推移再次在其電壓方面升高，從而至少由此至少減小了換極的危險。在一種被動的單元電壓補償中，電阻並聯於每個單獨的存儲單元並且因此使得用於存儲電能的系統持續不期望地放電並且也被加熱，除了這種被動的單元電壓補償，也使用了一種主動的單元電壓補償。在此除了並聯於每個單獨的存儲單元的電阻之外，電子閾值開關並聯於存儲單元並且串聯於電阻。如果單元的運行電壓處於預定的閾電壓之上，則這個也被稱為旁路電子裝置的結構因此僅僅總使得電流流動。一旦單獨的存儲單元的電壓再次下降到預定的閾電壓以下的區域中，則斷開開關並且不再有電流流動。電阻通過開關總是經受外力，基於該事實，如果單獨的存儲單元的電壓在預定的極限值以下，則也可以儘可能避免用於存儲電能的總系統的不期望的放電。持續的、不期望的熱產生在主動單元電壓補償的這種解決方式中也不是問題。—種例如用於混合動力城 市公共汽車的超級電容存儲器通常由幾百個串聯連接的超級電容器單元組成，它們大部分被劃分成多個模塊。在將要在車輛上或者特別地在混合動力系統上進行售後服務-或維修工作的情況下，超級電容器存儲器有利地在工作之前放電，從而為售後服務-或維修人員排除各種危險。這就要求利用額外要準備的合適的外部組件對接口進行操作，這些接口根據充電狀態可能處於很危險的高電壓之下並且功率非常大。此外，這些接口經常不易觸及，因此使得這些工作只能由特別的有專業技能的人員完成。此外，在這種方法中不利的是，當整個存儲器或者整個模塊被放電時，那些和其它存儲單元相比具有更低的充電狀態或者更少電容量的單元可能會換級。存儲單元在充電狀態或者電容量方面的區別例如由製造公差引起，它們可能造成自放電效果提升，以及例如也由於模塊中或者整個存儲器中冷卻效果不統一而引起存儲單元的老化速度不同而引起。這種換級會縮短所涉及的存儲單元的壽命，因此應該避免。在所描述的混合動力驅動裝置中，和這裡特別是用於像城市交通/短途交通中的公共汽車這樣的商用車的混合動力驅動裝置中，用於存儲電能的系統的壽命具有至關重要的意義。和在通常的傳動系中在適合於這種應用的功率級中不同的是，用於存儲電能的系統佔據了用於混合驅動的成本的顯著部分。因此，在這種應用中獲得非常高的使用壽命是特別重要的。

發明內容
因此本發明的目的在於，提出一種用於存儲電能的系統以及一種存儲單元，該系統或者該存儲單元至少部分地避免所述的缺點，並且特別是在為系統或者說存儲單元放電時降低換級的可能性。該目的通過具有獨立權利要求所述特徵的一種系統和一種存儲單元得以實現。本發明的其它設計方案在從屬權利要求中給出。特別地，本發明設計了一種用於存儲電能的系統，該系統包括多個存儲單元，存儲單元分別具有一個運行電壓，其中，用電設備以及串聯於用電設備的開關元件並聯於存儲單元布置，並且其中，這個開關元件在達到或者超過閾電壓時閉合。所述系統根據本發明包括控制裝置，控制裝置設定用於，這樣控制開關元件，即存儲單元通過用電設備進行放電。因此，根據本發明可能的是，通過藉助控制裝置有針對性地控制開關元件引起存儲單元通過用電設備放電，並且因此以不危險的方式和方法為系統放電，使得可以執行維護工作或維修工作。由於預設了控制裝置，也可以避免對處於高電壓下的接口進行操作。在一個有利的實施方式中提出，存儲單元可以通過用電設備進行放電直至達到放電電壓。因此確保了，即用於存儲電能的系統被放電直至達到或者低於一個在這裡被稱為放電電壓的電壓值，其中，可以毫無危險地運行該系統或其各個模塊。本發明的一個特別優選的實施方式提出，即開關元件能通過無接觸的傳輸裝置控制。其中特別可以提出，即無接觸的傳輸裝置是隔離放大器、特別是光電耦合器。這就可以隔開導線和裝置(通過它們將能量輸入存儲器或者通過它們將能量從存儲器中取出)以及控制導線和控制裝置(它們由售後服務人員或者說維護人員操作)。特別是其中可以電鍍隔離控制導線和引導高電壓的導線，從而可以達到特別高的安全度。隔離放大器可替換地也可以通過一個電感的或者可能是電容的耦合裝置實現，並且因此同樣可以與存儲單元電鍍隔離地控制開關元件。相關於無接觸的傳輸裝置的布置，一方面可以設計為，多個存儲単元中的每個存儲單元都可以配屬ー個無接觸的傳輸裝置。這就使得可以有針對性地控制每個存儲単元，並且因此可以為每個存儲單元特別安全地並且經濟地進行放電。在這種情況下，特別有利的是，在存儲單元中布置了無接觸的傳輸裝置。因此無接觸的傳輸裝置相對於存儲單元存在ー個直接的、而且也是空間上的配屬關係。可替換地可以提出，ー個無接觸的傳輸裝置配屬於多個存儲單元。其中例如ー個無接觸的傳輸裝置可以控制兩個相鄰的電池或者一個由多個存儲單元組成的整體的模塊。這就減少了線路技術和電子方面的投入，並且因此是ー種特別節約成本的可以實現的可替 換方案。與之相關地可以提出，無接觸的傳輸裝置布置在控制裝置中。其中，該傳輸裝置可以集成到控制裝置中，或者布置在它的空間附近。本發明的一個實施方式提出，對存儲單元的控制包括對閾電壓的影響。這樣就可以例如將存儲単元的閾電壓控制到ー個放電電壓大小，從而通過用電設備為存儲單元放電。可替換地也可以提出，開關元件能由控制裝置閉合。於是可以在不考慮閾電壓的情況下通過控制単元直接控制開關元件的開關過程。在本發明的ー個有利的改進方案中提出，控制裝置藉助於總線導線和開關元件連接。這就是使得可以高效地控制多個存儲単元。其中，特別是可以提出，不僅將放電信號或者將變為放電電壓值的閾電壓值從控制裝置傳輸到存儲單元，而且例如也將當前的運行電壓值或者當前的閾電壓值從存儲單元傳輸到控制裝置。這就使得例如可以準確地描述用於存儲電能的系統的存儲狀態或者系統的分別被檢測的模塊的存儲狀態。在本發明的一個簡單的實施方式中，用電設備是電阻，但是可替換地也可以設置其它的裝置用於例如藉助於定向放射導出電能。存儲單元可以設計為所謂的超級電容器，即雙層電容器。在一個簡單的實施方式中，開關元件可以是閾值開關。正如已經闡述的那樣，控制裝置就可以藉助於信號總線或數據總線或者將閾值開關的閾值調節到放電電壓大小，或者直接控制閾值開關的開關過程。在某些情況下可能也可以使用兩種設計方案的組合。根據本發明的系統可以特別有利地用在蓄能器中，特別是用於混合動カ驅動裝置。開頭提及的目的也通過ー種用於存儲電能的存儲單元得以實現，其具有並聯於存儲單元布置的用電設備以及串聯於用電設備的開關元件，其中，開關元件在達到或者超過閾電壓時閉合。根據本發明提出，開關元件能通過無接觸的傳輸裝置這樣控制，即存儲単元的電壓下降直至或者低於放電電壓。其中，無接觸的傳輸裝置可以直接布置在開關元件上，或者通過合適的信號導線或數據導線與無接觸的傳輸裝置連接。無接觸的傳輸裝置例如可以是隔離放大器，特別是光電耦合器。


根據本發明的系統以及根據本發明的存儲單元的其它有利的設計方案還從以下藉助附圖詳盡描述的實施例中得出。圖中示出圖I是混合動カ車輛的ー個示例性的結構；以及圖2是用於存儲電能的系統的ー個實施方式的示意圖。
具體實施例方式圖I中示出了示例性的混合動カ車輛I。其具有兩個帶有各兩個示例性表明的車 輪4的軸2，3。軸3在此應該是車輛I的被驅動的軸，而軸2以自身已知的方式和方法僅僅隨動。為了對軸3進行驅動，示例性地示出了傳動裝置5，該傳動裝置從內燃機6和電機7中獲取功率並且將其導入被驅動的軸3的區域中。在驅動情況下，電機7單獨地或對內燃機6的驅動功率進行補充地可以將驅動功率導入被驅動的軸3的區域中，並且因此驅動了車輛I或者對車輛I的驅動進行支持。此外在車輛I制動時，電機7可以作為發電機運行，以便因此回收在制動時產生的功率並且相應地存儲。為了例如在作為車輛I的市內公共汽車的使用中也對於較高速度的制動過程提供足夠的存儲能量，其中該較高速度對於市內公共汽車而言確定地最大大約為70km/h，必須在此情況下設置用於存儲電能的系統10，其具有數量級為350至700Wh的存儲能量。因此例如在大概10秒長的制動過程中由這種速度產生的能量通過典型地具有大約150kW數量級的電機7轉換成電能，並且該電能存儲在系統10中。為了對電機7進行控制以及為了對用於存儲電能的系統10充電和放電，該結構根據圖I具有變流器9，變流器以自身已知的方式和方法設計具有用於能量管理的集成的控制裝置。通過具有集成的控制裝置的變流器9使電機7和用於存儲電能的系統10之間的能量流相應地協調。控制裝置確保的是，在制動時在然後以發電機形式驅動的電機7的區域中產生的功率被儘可能地存儲在用於存儲電能的系統10中，其中通常不能超過系統10的預定的上電壓極限。在驅動情況下，變流器9中的控制裝置協調從系統10中獲取的電能，以便在與此相反的情況下藉助於這些獲取的電能驅動電機7。除了在此說明的、例如可以是市內公共汽車的混合動カ車輛I以外，自然也可以在純電動車輛中考慮類似的結構。圖2示意性地示出按照ー種實施方式的根據本發明的用於存儲電能的系統10的一部分。原則上可以考慮不同類型的、用於存儲電能的系統10。典型地這樣對這種系統10進行構造，即多個存儲單元12典型地串聯在系統10中。該存儲単元在此可以是蓄電池單元和/或超級電容器，也或者是上述裝置的任意組合。對於在此示出的實施例而言，應將存儲單元12全都設計為超級電容器，即設計為雙層電容器，其應該被裝入配有混合驅動裝置的車輛I中的、用於存儲電能的ー個唯一的系統10中。該結構在此可以優選地被裝入商用車中，例如用於城市交通/短途交通的公共汽車中。在此通過經常性的啟動-和制動技術動作並結合非常高的車輛質量，通過超級電容器實現了電能存儲的特別高的效率，這是因為相對較高的電流流動。由於作為存儲單元12的超級電容器具有比例如蓄電池単元小很多的內阻，因此其對於在此詳細說明的實施例是優選的。如已經提到的，在圖2中可以識別出存儲單元12。在此僅僅示出了多個串聯的存儲單元12中的三個存儲単元。這些存儲單元在一系列其它未示出的存儲單元中構成第一模塊A。同樣示意性地示出了其他模塊B，C。模塊的準確數量根據系統的使用目的而不同。在上面提到的實施例中並且當相應的電驅動功率是大約100至200kW、例如是120kW吋，這些存儲單元在實際的結構中將可能總共是大約150至250個存儲單元12。如果這些存儲單元設計為具有對於每 個超級電容器來說當前上電壓極限為大約2. 7V的超級電容器，並且具有3000法拉的電容，則將為城市公共汽車的混合動カ驅動裝置給出實際的應用。如圖2所示，每個存儲單元12都具有一個與該存儲單元12並聯的歐姆電阻14形式的用電設備。該用電設備和開關元件16串聯並且並聯於每個存儲單元12，在此情況下，並聯於每個超級電容器12。開關16設計為閾值開關並且僅示意性地示出。這個閾值開關16包括該超級電容器12的電壓監測裝置。一旦這個超級電容器12超過ー個電壓上限閾值，開關16就閉合，從而來自超級電容器12的電流可以流經電阻14。因此相應地減小位於電容器中的電荷並且進而也減小了電壓。此外，閾值開關16通過光電耦合器18和相應的數據導線或信號導線與總線20連接。控制裝置22同樣連接在數據總線20上。控制裝置22設定用於，藉助於總線20控制布置在存儲單元12上的光電耦合器18。在圖2中所示的實施方式中，多個存儲單元12，如已經提及的那樣，被劃分成模塊A，B和C。為了直觀顯示的目的，為模塊A，B和C示出了不同的實施方式。在一個實際的用於存儲電能的系統中，只會使用同類的模塊。正如已經說過的那樣，模塊A裝配有存儲單元12，可以通過光電耦合器18控制它的閾值開關16。其中，各個存儲単元12的各自的光電耦合器18可以單個地通過數據總線20由控制裝置22控制，這就是說，可以為每個單獨的存儲單元12分派一個放電指令。而模塊B的存儲單元12雖然分別也同樣裝配有用於控制閾值開關16的光電耦合器18。但是光電耦合器的連接方式按以下方式實現，即只能為所有的光電耦合器18共同將放電信號傳輸到閾值開關16。因此，統一地對所有包含在其中的存儲單元12實現對模塊B的放電。模塊C同樣具有可以通過該閾值開關16和電阻14放電的存儲單元12。但是對閾值開關16的控制不是通過光電耦合器，而是通過電感耦合器24實現。雖然這裡實現的連接方式也類似於模塊B中的連接方式，也就是說，所有存儲單元12隻能統一地放電。但是這只是一個示例性的實施方式。不言而喻地，模塊A至C的所有設計理念之間都可以任意地相互組合。另ー個在此未示出的變型方案在於，為ー個模塊，也就是說為多個存儲單元，預設唯一一個隔離放大器，它可以將ー個統ー的放電指令傳輸到多個存儲単元。因此，本發明利用已經存在的旁路電子元件用於給存儲器放電，為此，這些電子元件増加了一個簡易的擴展電路。正如已經說過的那樣，這可以通過隔離放大器、例如光電耦合器18或者也可以通過電感耦合裝置24實現。通過這些將旁路電子元件相互電鍍隔離並且與外界的高運行電壓電鍍隔離的隔離放大器，可以利用在模塊或者整個存儲器以外的低的信號電壓，例如通過控制裝置22接通這些旁路電子元件。這個開關狀態可以一直保持住，直到超級電容器単元12完全放電，或者系統10的總電壓回落到ー個不危險的值。正如已經提過的那樣，在此也可以例如通過總線20實現對單個單元12，一個整體模塊的電壓或者系統的總電壓的檢測。因為每個單元單獨放電，因此也不存在電容器12換級的危險。當旁路電子元件的漏電電流為IA時，在此期間單元電壓在50分鐘內下降IV，使得在這些數例的情況下，在大約兩小時內可以將存儲器視為放電。不言而喻地，根據使用的用電設備也可能出現其它的漏電電流。在此期間出現的熱能可以通過存儲器或模塊的在這些系統中通常存在的歸系統 所有的冷卻裝置被導出。因此，不需要採取其它與之相關的預防措施。
權利要求
1.一種用於存儲電能的系統(10)，所述系統包括多個存儲單元(12)，所述存儲單元分別具有一個運行電壓，其中，用電設備(14)以及串聯於所述用電設備(14)的開關元件(16)並聯於所述存儲單元(12)布置，並且其中，所述開關元件(16)在達到或者超過閾電壓時閉I=I， 其特徵在於， 所述系統(10)包括控制裝置(22)，所述控制裝置設定用於，這樣控制所述開關元件(16)，即所述存儲單元(12)通過所述用電設備(14)進行放電。
2.根據權利要求I所述的系統，其特徵在於，所述存儲單元(12)能通過所述用電設備(14)進行放電直至達到放電電壓。
3.根據權利要求I或2所述的系統，其特徵在於，所述開關元件(16)能通過無接觸的傳輸裝置(18，24)控制。
4.根據權利要求3所述的系統，其特徵在於，所述無接觸的傳輸裝置是隔離放大器(18，24)、特別是光電耦合器(18)。
5.根據權利要求3所述的系統，其特徵在於，多個存儲單元(12)中的每個存儲單元都配屬了一個無接觸的傳輸裝置(18，24)。
6.根據權利要求5所述的系統，其特徵在於，所述無接觸的傳輸裝置(18，24)布置在所述存儲單元(12)中。
7.根據權利要求3所述的系統，其特徵在於，一個無接觸的傳輸裝置配屬於多個存儲單元(12)。
8.根據權利要求7所述的系統，其特徵在於，所述無接觸的傳輸裝置布置在所述控制裝置中。
9.根據前述權利要求中任一項所述的系統，其特徵在於，對所述開關元件(16)的控制包括對所述閾電壓的影響。
10.根據權利要求I至8中任一項所述的系統，其特徵在於，所述開關元件(16)能由所述控制裝置(22)閉合。
11.根據前述權利要求中任一項所述的系統，其特徵在於，所述控制裝置(22)藉助於總線導線(20)和所述開關元件(16)連接。
12.根據前述權利要求中任一項所述的系統，其特徵在於，所述用電設備是電阻(14)和/或所述存儲單元(12)是超級電容器(12)。
13.根據前述權利要求中任一項所述的系統，其特徵在於，所述開關元件是閾值開關(16)。
14.根據前述權利要求中任一項所述的系統，其特徵在於，所述系統(10)用在蓄能器中，特別是用於混合動力驅動裝置。
15.一種用於存儲電能的存儲單元(12)，具有並聯於所述存儲單元布置的用電設備(14)以及串聯於所述用電設備(14)的開關元件(16)，其中，所述開關元件(16)在達到或者超過閾電壓時閉合， 其特徵在於， 所述開關元件(16)能通過無接觸的傳輸裝置(18，24)這樣控制，即所述存儲單元(12)的電壓下降直至或者低於放電電壓。
全文摘要
本發明涉及一種用於存儲電能的系統，該系統包括多個存儲單元(12)，這些存儲單元分別具有一個運行電壓。用電設備(14)以及串聯於用電設備的開關元件(16)並聯於存儲單元布置。開關元件在達到或者超過閾電壓時閉合。該系統包括控制裝置，該控制裝置設定用於，這樣控制開關元件，即存儲單元通過用電設備進行放電。此外還提出一種用於存儲電能的存儲單元。
文檔編號H02J7/00GK102742110SQ201080037845
公開日2012年10月17日 申請日期2010年7月16日 優先權日2009年8月27日
發明者康拉德·羅塞爾 申請人:沃依特專利有限責任公司