能量存儲裝置、具有能量存儲裝置的系統和用於操控能量存儲裝置的方法
2023-08-02 05:15:41
能量存儲裝置、具有能量存儲裝置的系統和用於操控能量存儲裝置的方法
【專利摘要】本發明涉及用於產生n相供應電壓的能量存儲裝置（1），其中n≥1，具有n個並聯的能量供應分支，所述能量供應分支分別與能量存儲裝置（1）的一個輸出連接端（1a，1b，1c）耦合，其中能量供應分支中的每一個均具有大量串聯的能量存儲模塊（3）。所述能量供應分支在此分別包括能量存儲單元模塊（5），所述能量存儲單元模塊具有至少一個能量存儲單元（5a，5n），和具有第一耦合元件（7a，7b，7c，7d）的耦合裝置（7），所述第一耦合元件被設計用於將能量存儲單元模塊（5）選擇性地接入相應的能量供應分支中或者橋接所述能量存儲單元模塊（5）。在此，能量供應分支中的至少一個具有至少一個第二耦合元件（8），所述第二耦合元件分別耦合在在該至少一個能量供應分支中相鄰的能量存儲單元模塊（5）的輸出連接端之間，並且被設計用於將所耦合的能量存儲單元模塊（5）彼此並聯地接入到相應的能量供應分支中。
【專利說明】能量存儲裝置、具有能量存儲裝置的系統和用於操控能量存儲裝置的方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及能量存儲裝置、具有能量存儲裝置的系統以及用於尤其是在用於對電機供電的電池直接逆變器電路中操控能量存儲裝置的方法。
【背景技術】
[0002]呈現出的是，未來不僅在諸如風力發電裝置或太陽能設備的固定應用情況下而且在諸如混合動力車輛或電動車輛的車輛中越來越多地採用將新的能量存儲工藝與電驅動技術相組合的電子系統。
[0003]將多相電流饋入電機中通常通過脈衝逆變器形式的逆變器實現。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變電壓，例如三相交變電壓。直流電壓中間電路在此被由串聯互連的電池模塊組成的支路饋電。為了能夠滿足針對相應的應用給定的對功率和能量的要求，在牽引電池中的多個電池模塊經常串聯。
[0004]多個電池模塊的串聯引起問題，即如果唯一的電池模塊發生故障，則整個支路發生故障。能量供應支路的這種故障可能導致整個系統故障。此外，單個電池模塊的暫時或永久出現的功率減小可能導致整個能量供應支路中的功率減小。
[0005]在出版物US 5，642，275 Al中描述了具有集成逆變器功能的電池系統。這種類型的系統以名稱多電平級聯逆變器(Multilevel Cascaded Inverter)或還有電池直接逆變器(Battery Direct Inverter) (BDI)公知。這樣的系統包括多個能量存儲模塊支路中的直流電流源，這些直流電流源可以直接連接到電機或電網上。在此，可以生成單相或多相供應電壓。能量存儲模塊支路在此具有多個串聯的能量存儲模塊，其中每個能量存儲模塊具有至少一個電池單元和所分配的可控制的耦合單元，所述可控制的耦合單元允許根據控制信號中斷相應的能量存儲模塊支路或者橋接分別所分配的至少一個電池單元或者分別將所分配的至少一個電池單元接入到相應的能量存儲模塊支路中。通過例如藉助於脈寬調製適當地操控耦合單元，也可以提供適當的相信號來控制相輸出電壓，使得可以放棄單獨的脈衝逆變器。為了控制相輸出電壓所需要的脈衝逆變器因此可以說被集成到BDI中。
[0006]BDI通常相對於傳統系統具有更高的效率和更高的防故障安全性。防故障安全性尤其是通過以下方式來加以保證，即可以通過適當地橋接操控耦合單元從能量供應支路中斷開有缺陷的、發生故障的或不是完全有效的電池單元。能量存儲模塊支路的相輸出電壓可以通過對應地操控耦合單元而被改變並且尤其是分級地被調整。輸出電壓的分級在此由單個能量存儲模塊的電壓得出，其中最大可能的相輸出電壓由能量存儲模塊支路的所有能量存儲模塊的電壓之和來確定。
【發明內容】
[0007]本發明根據一個方面提供一種用於產生η相供應電壓的能量存儲裝置，其中n ^ 1，具有η個並聯的能量供應分支，所述能量供應分支分別與能量存儲裝置的至少一個輸出連接端耦合，其中能量供應分支中的每一個均具有大量串聯的能量存儲模塊。能量供應分支在此分別包括能量存儲單元模塊，所述能量存儲單元模塊具有至少一個能量存儲單元，並且包括具有第一耦合元件的耦合裝置，所述第一耦合元件被設計用於將能量存儲單元模塊選擇性地接入相應的能量供應分支中或者橋接所述能量存儲單元模塊。在此，能量供應分支中的至少一個具有至少一個第二耦合元件，所述第二耦合元件分別耦合在在該至少一個能量供應分支中相鄰的能量存儲單元模塊的輸出連接端之間，並且被設計用於將所耦合的能量存儲單元模塊彼此並聯地接入到相應的能量供應分支中。
[0008]根據另一方面，本發明提供一種系統，具有:n個相線路，所述相線路可以分別與η相電機的η個相連接端之一耦合；本發明能量存儲裝置，其輸出連接端分別與η個相線路之一耦合；以及控制裝置，所述控制裝置與能量存儲裝置耦合，並且被設計用於根據至少一個能量供應分支的能量存儲單元模塊的能量存儲單元的電荷狀態來操控至少一個第二耦合元件用於在相鄰的能量存儲模塊之間實現電荷均衡。
[0009]根據另一方面，本發明提供一種用於操控本發明能量存儲裝置的方法，具有步驟:操控至少一個能量供應分支的第一能量存儲模塊的第一耦合元件以用於將第一能量存儲模塊的能量存儲單元模塊接入到該能量供應分支中，操控至少一個能量供應分支的第二能量存儲模塊的第一耦合元件以用於將與該第一能量存儲模塊相鄰的第二能量存儲模塊的能量存儲單元模塊接入到該能量供應分支中，閉合第二耦合元件，所述第二耦合元件耦合在第一能量存儲模塊和第二能量存儲模塊之間，以及根據第一能量存儲模塊和第二能量存儲模塊的能量存儲單元模塊的電荷狀態以脈寬調製的時鐘運行方式來操控第一能量存儲模塊的第一稱合兀件之一。
[0010]本發明優點
本發明的構思是，能夠實現在能量存儲裝置的各個能量存儲模塊之間的改善的電荷均衡，其方式是相鄰的能量存儲模塊經由在其相應的能量存儲單元模塊之間的輸出連接端之間的附加耦合元件而被連接。通過適當地操控附加的耦合元件，能夠不僅在能量存儲裝置運行期間而且在靜止狀態下實現在兩個相鄰能量存儲模塊的能量存儲單元模塊之間的電荷均衡。
[0011]該布置的顯著優點在於，在運行中主動平衡是可能的，也就是說，可以在任何時候均衡模塊的電荷狀態出現的偏差並且例如不是僅在能量存儲裝置的充電過程中才能均衡。
[0012]有利地，通過並聯連接能量存儲模塊可以使在能量供應分支中出現的電流對稱，使得可以補償並聯路徑的阻抗和電壓差異。這同時意味著各個能量存儲模塊的有利的均勻的載荷。
[0013]在電路技術上的附加耗費有利地是小的。除此之外存在以下優點:可以將在平衡期間的損耗在運行中保持得小，因為對於電荷均衡不需要附加的電流設立(Stromaufbau)。
[0014]根據一種實施方式，能量存儲裝置可以具有半導體開關，例如MOSFET開關作為耦合元件。根據另一實施方式可以規定，耦合元件以全橋電路的方式來構成。在可替換的實施方式中，耦合元件可以以半橋電路的方式來構成。
[0015]根據另一實施方式，大量限制電流或電流變化的第一元件可以分別串聯地與大量第二耦合元件之一耦合。這例如可以是電阻或電感，其限制可能的電流強度波動並且負責更均勻的運行。根據另一實施方式，在此情況下可以在至少一個能量供應分支的每兩個相鄰的能量存儲模塊之間分別耦合限制電流或電流變化的第二元件。
[0016]根據本發明系統的一種實施方式，控制裝置可以被設計用於以脈寬調製的時鐘運行方式操控大量第二耦合元件。由此可以通過適當地選擇頻率和脈衝寬度來靈活地調整流經第二耦合元件的總電流的分量。
[0017]根據本發明系統的一種實施方式，該系統此外可以具有η相電機，其中η > 1，所述η相電機具有η個相連接端，所述相連接端分別與η個相線路之一耦合。因此該系統良好地特別是適用於用在電運行的車輛中，諸如電動汽車或混合動力車輛。
[0018]根據本發明方法的一種實施方式，可以藉助於兩點調節器和根據第一能量存儲模塊和第二能量存儲模塊的能量存儲單元模塊的電荷狀態的比例來操控第一耦合元件之一。該方法能夠實現用於在電池直接逆變器中的電荷均衡的靈活方法，這種方法在運行電池直接逆變器期間已經可以被採用。
[0019]本發明的實施方式的其他特徵和優點從參考附圖的下面描述中得出。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1示出根據本發明一種實施方式的具有能量存儲裝置的系統的示意圖；
圖2示出根據本發明另一實施方式的能量存儲裝置的能量存儲模塊的示意圖；
圖3示出根據本發明另一實施方式的能量存儲裝置的能量存儲模塊的示意圖；
圖4示出根據本發明另一實施方式的能量存儲裝置的能量存儲模塊的示意圖；
圖5示出根據本發明另一實施方式的能量存儲裝置的能量存儲模塊的示意圖；
圖6示出根據本發明另一實施方式的能量存儲裝置的兩個能量存儲模塊的操控狀態的不意圖；和
圖7示出根據本發明的另一實施方式用於操控能量存儲裝置的方法的示意圖。
【具體實施方式】
[0021]圖1示出用於從通過能量存儲模塊3提供的直流電壓到η相交變電壓的電壓轉換的系統100。該系統100包括具有能量存儲模塊3的能量存儲裝置1，所述能量存儲模塊在能量供應分支中串聯。示例性地在圖1中示出三個能量供應分支，所述能量供應分支適用於例如對三相電機2產生三相交變電壓。但是清楚的是，任何其他數目的能量供應分支同樣可以是可能的。能量存儲裝置I在每個能量供應分支處具有輸出連接端la、lb、lc，這些輸出連接端分別連接在相線路2a、2b或2c上。示例性地，圖1中的系統100用於對三相電機2進行饋電。但是也可以規定，能量存儲裝置I被用於為能量供應網絡2產生電流。在單相系統情況下可以規定，僅構造一個能量供應分支。該能量供應分支於是可以作為二端電路連接到電負載的供應輸入端上。
[0022]系統100此外可以包括控制裝置9，所述控制裝置9與能量存儲裝置I連接，並且藉助於所述控制裝置可以控制能量存儲裝置1，用於在相應的輸出連接端la、lb、lc處提供期望的輸出電壓。
[0023]可以將能量供應分支在其端部與基準電勢4 (基準匯流排)連接，所述基準電勢在所示的實施方式中相對於電機2的相線路2a、2b、2c引導平均電勢。基準電勢4例如可以是接地電勢。能量供應分支中的每一個均具有至少兩個串聯的能量存儲模塊3。示例性地，每能量供應分支的能量存儲模塊3的數目在圖1中為3，但是其中任何其他數目的能量存儲模塊3同樣是可能的。優選地，在此能量供應分支中的每一個包括相同數目的能量存儲模塊3，但是其中也可能的是，對於每個能量供應分支設置不同數目的能量存儲模塊3。
[0024]能量存儲模塊3分別具有兩個輸出連接端3a和3b，通過所述輸出連接端可以提供能量存儲模塊3的輸出電壓。因為能量存儲模塊3主要串聯，所以能量存儲模塊3的輸出電壓總計成總輸出電壓，所述總輸出電壓可以在能量存儲裝置I的輸出連接端la、lb、Ic中的相應的輸出連接端處被提供。
[0025]能量存儲模塊3的示例性結構形式在圖2至5中以更大量的細節示出。能量存儲模塊3在此分別包括具有多個耦合元件7a、7c以及必要時7b和7d的耦合裝置7。能量存儲模塊3此外分別包括具有一個或多個串聯的能量存儲單元5a至5k的能量存儲單元模塊5。
[0026]能量存儲單元模塊5在此例如可以具有串聯的電池5a至5k，例如鋰離子電池。在此，在圖2至5中所示的能量存儲模塊3中的能量存儲單元5a至5k的數目示例性地為2，但是其中任何其他數目的能量存儲單元5a至5k同樣是可能的。在另外的實施方式中，能量存儲單元5a至5k例如也可以包括光伏模塊。
[0027]能量存儲單元模塊5經由連接線路與所屬的耦合裝置7的輸入連接端連接。耦合裝置7在圖2和4中示例性地被構造為各具有兩個耦合元件7a、7c和兩個耦合元件7b、7d的全橋電路。耦合元件7a、7b、7c、7d在此分別可以具有有源開關元件(例如半導體開關)和與其並聯的空轉二極體。在此可以規定，耦合元件7a、7b、7c、7d被構造為MOSFET開關，其已經具有本徵二極體。可替換地，可以分別僅構造兩個耦合元件7a、7c，從而如在圖3和5中示例性所示地實現半橋電路。
[0028]耦合元件7a、7b、7c、7d可以例如藉助於在圖1中所示的控制裝置7被操控為使得相應的能量存儲單元模塊5選擇性地被接在輸出連接端3a和3b之間或者能量存儲單元模塊5被橋接。參照圖2，能量存儲單元模塊5例如可以在前向方向上被接在輸出連接端3a和3b之間，其方式是耦合元件7d的有源開關元件和耦合元件7a的有源開關元件被置於閉合狀態，而耦合元件7b和7c的兩個其餘有源開關元件被置於斷開狀態。橋接狀態例如可以通過以下方式加以調整，即耦合元件7a和7b的兩個有源開關元件被置於閉合狀態，而耦合元件7c和7d的兩個有源開關元件被保持在斷開狀態。可以分別對於在圖3至5中的橋電路作出類似考慮。
[0029]因此，通過適當地操控耦合裝置7可以將能量存儲模塊3的各個能量存儲單元模塊5有針對性地集成到能量供應分支的串聯電路中。
[0030]系統100的能量存儲裝置I此外具有第二耦合元件，所述第二耦合元件分別耦合在能量供應分支的兩個相鄰的能量存儲模塊3之間。在此，第二耦合元件8將能量存儲模塊3分別耦合在能量存儲模塊3的輸出連接端3c之間。在此可能的是，一個能量供應分支的所有能量存儲模塊3彼此經由第二耦合元件8耦合。可替換地，也可以一個能量供應分支的僅一部分能量存儲模塊3彼此耦合。在圖1中示例性地示出三個具有第二耦合元件8的能量供應分支中的兩個。但是在此，在另外的實施方式中可能也可以構成具有第二耦合元件8的更多或更少的能量供應分支。
[0031]第二耦合元件8被設計用於將兩個相鄰能量存儲模塊3的能量存儲單元模塊5並聯到相應的能量供應分支中。為此，第二耦合元件8可以分別包括有源開關元件(例如半導體開關)和與之並聯的空轉二極體。在一種實施方式中，第二耦合元件8可以分別具有帶有本徵二極體的MOSFET開關。
[0032]限制電流或電流變化的元件6a可以與第二耦合元件8串聯。示例性地和出於一目了然性，在圖1中僅僅示出了兩個限制電流或電流變化的元件6a，其中第二耦合元件8中的每另一個耦合元件同樣可以與這樣的元件6a串聯。此外，可以在各個能量存儲模塊3之間分別布置其他限制電流或電流變化的元件6b。元件6a、6b例如可以具有電阻或電感。也可能的是，通過相應各個能量存儲模塊3或第二耦合元件8與各個能量存儲模塊3的物理接線，連接線路擁有一個/多個內部或寄生電阻或電感，其足以充分地限制通過能量供應分支和具有第二耦合元件8的路徑的電流變化。在該情況下不需要單獨地設置限制電流或電流變化的元件6a、6b。
[0033]元件6a、6b可以用於限制相應線路上的電流強度波動、即所謂的「電流波紋」，其可能由於耦合元件7a、7b、7c、7d的高頻操控形成。
[0034]如在圖2至5中所示的，能量存儲模塊3的操控連接端3c可以分別與能量存儲模塊3的能量存儲單元模塊5的輸出連接端連接。例如，輸出連接端3c可以分別與能量存儲單元模塊5的電池單元5a至5k的負極經由輸出連接端5m耦合，如示例性地在圖2和3中所示。可替換地可能也可以經由輸出連接端5p將輸出連接端3c分別與能量存儲單元模塊5的電池單元5a至5k的正極稱合,如示例性地在圖4和5中所示。
[0035]圖6示出能量存儲裝置的兩個能量存儲模塊3、3』(例如圖1中的能量存儲裝置I的能量存儲模塊3)的示例性操控狀態的示意圖。能量存儲模塊3、3』在此可以根據在圖2中所述的配置來加以構建，其中根據在圖3至5中所示的實施方式之一的對應配置同樣和類似地可能。
[0036]在圖6中作為瞬時記錄示出的操控狀態與在圖7中示意性示出的方法10結合地用於闡述用於操控能量存儲裝置、尤其是圖1中的能量存儲裝置I的方法。在方法10的第一步驟11中，操控至少一個能量供應分支的第一能量存儲模塊3的第一耦合元件7a、7b、7c、7d以用於將第一能量存儲模塊3的能量存儲單元模塊5接入到該能量供應分支中。如在圖6中示例性示出的，可以閉合耦合元件7a。如果在該方法的步驟12中操控至少一個能量供應分支的第二能量存儲模塊3』的第一耦合元件7a』、7b』、7c』、7d』以用於將與該第一能量存儲模塊3相鄰的第二能量存儲模塊3』的能量存儲單元模塊5』接入到該能量供應分支中，並且在步驟13中閉合耦合在第一能量存儲模塊3和第二能量存儲模塊3』之間的第二耦合元件8，則第一能量存儲模塊3的能量存儲單元模塊5經由具有第二耦合元件8以及閉合的耦合元件7d』的路徑接入到該能量供應分支中。
[0037]然後在該方法10的步驟14中，可以根據第一能量存儲模塊3和第二能量存儲模塊3』的能量存儲單元模塊5、5』的電荷狀態以脈寬調製的時鐘運行方式操控第一能量存儲模塊3的第一耦合元件之一(如在圖6中示例性所示的第一耦合元件7b)，可以以周期性間隔將第二能量存儲單元模塊5』經由耦合元件7b和耦合元件7d』與第一能量存儲單元模塊5並聯地接入到該能量供應分支中。耦合元件7b為此例如可以由圖1中的控制裝置9以脈寬調製的時鐘運行方式被操控，使得可以靈活地調整通過能量存儲模塊3』所承載的總電流分量。例如可以將脈衝寬度和/或時鐘頻率調整為使得該分量在總電流的0%與50%之間。
[0038]時鐘運行例如可以通過兩點調節器實現。優選地，脈寬調製的時鐘運行可以被調整為使得流經能量存儲單元模塊5和5』的電流的比例具有預定的值，該預定的值例如可以與在能量存儲單元模塊5和5』中的能量存儲單元的電荷狀態有關。
[0039]以相同方式，對於能量存儲模塊3和3』的耦合元件7a、7b、7c、7d或7a』、7b』、7c』、7d』的其它電路狀態可以分別以脈寬調製的時鐘運行方式操控這些耦合元件之一，用以執行在能量存儲單元模塊5和5』之間的電荷均衡。
[0040]該方法10尤其是適用於在能量存儲裝置I的運行中被執行，也就是說，當能量存儲裝置I運行時被執行，用以產生η相輸出電壓。可替換地可能也可以經由對應地操控耦合元件7a、7b、7c、7d或7a』、7b』、7c』、7d』之一和同時閉合第二耦合元件8來執行在能量存儲單元模塊5和5』之間的電荷均衡，而無電流在該能量供應分支中流動。這例如可以在能量存儲裝置I的靜止狀態下進行。
【權利要求】
1.用於產生η相供應電壓的能量存儲裝置(1)，其中η≥1，具有: η個並聯的能量供應分支，所述能量供應分支分別與能量存儲裝置(I)的至少一個輸出連接端(la，lb，Ic)耦合，其中能量供應分支中的每一個均具有大量串聯的能量存儲模塊(3)，所述能量供應分支分別包括: -能量存儲單元模塊(5),所述能量存儲單元模塊具有至少一個能量存儲單元(5a,5k)，和 -具有第一耦合元件(7a，7b, 7c, 7d)的耦合裝置(7)，所述第一耦合元件被設計用於將能量存儲單元模塊(5)選擇性地接入相應的能量供應分支中或者橋接所述能量存儲單元模塊(5);以及 其中能量供應分支中的至少一個具有至少一個第二耦合元件(8)，所述第二耦合元件分別耦合在在該至少一個能量供應分支中相鄰的能量存儲單元模塊(5)的輸出連接端(5m，5p)之間，並且被設計用於將所耦合的能量存儲單元模塊(5)彼此並聯地接入到相應的能量供應分支中。
2.根據權利要求1所述的能量存儲裝置(1)，其中耦合裝置(9)包括全橋電路方式的耦合元件(7,8)。
3.根據權利要求1所述的能量存儲裝置(1)，其中耦合裝置(9)包括半橋電路方式的耦合元件(7,8)。
4.根據權利要求1至3之一所述的能量存儲裝置(I)，其中至少一個限制電流或電流變化的第一元件(6a)串聯地與至少一個第二耦合元件(8)耦合。
5.根據權利要求4所述的能量存儲裝置(1)，其中在至少一個能量供應分支的每兩個相鄰能量存儲模塊(3)之間分別耦合限制電流或電流變化的第二元件(6b)。
6.根據權利要求5所述的能量存儲裝置(1)，其中限制電流或電流變化的第一元件(6a)和限制電流或電流變化的第二元件(6b)是電感或歐姆電阻。
7.系統(100)，具有: η個相線路(2a，2b，2c)，所述相線路能夠分別與η相電機的η個相連接端之一耦合； 根據權利要求1至5之一所述的能量存儲裝置(I )，其輸出連接端(la, lb, Ic)分別與η個相線路(2a，2b，2c)之一耦合；以及 控制裝置(9)，所述控制裝置與能量存儲裝置(I)耦合，並且被設計用於根據至少一個能量供應分支的能量存儲單元模塊(5)的能量存儲單元(5a，5k)的電荷狀態來操控至少一個第二耦合元件(8)以用於在相鄰的能量存儲模塊(3)之間實現電荷均衡。
8.根據權利要求7所述的系統，其中控制裝置(9)被設計用於以脈寬調製的時鐘運行方式操控第二稱合兀件(8 )。
9.根據權利要求7和8之一所述的系統，此外具有: η相電機(2),其中n ^ 1，所述η相電機具有η個相連接端,所述相連接端分別與η個相線路(2a, 2b, 2c)之一f禹合。
10.用於操控根據權利要求1至6之一所述的能量存儲裝置(I)的方法(10)，具有步驟: 操控(11)至少一個能量供應分支的第一能量存儲模塊(3)的第一耦合元件(7a，7b，7c，7d)以用於將第一能量存儲模塊(3)的能量存儲單元模塊(5)接入到該能量供應分支中； 操控(12)至少一個能量供應分支的第二能量存儲模塊(3』 )的第一耦合元件(7a』，。7b』，7c』，7d』 )以用於將與該第一能量存儲模塊(3)相鄰的第二能量存儲模塊(3』 )的能量存儲單元模塊(5』 )接入到該能量供應分支中； 閉合(13)耦合在第一能量存儲模塊(3)和第二能量存儲模塊(3』 )之間的第二耦合元件(8);以及 根據第一能量存儲模塊(3)和第二能量存儲模塊(3』 )的能量存儲單元模塊(5，5』 )的電荷狀態以脈寬調製的時鐘運行方式來操控(14)第一能量存儲模塊(3)的第一耦合元件(7b)之一。
11.根據權利要求10所述的方法(10)，其中藉助於兩點調節器和根據第一能量存儲模塊(3)和第二能量存儲模塊(3』 )的能量存儲單元模塊(5，5』 )的電荷狀態的比例來操控第一耦合元件(7b)之一。
【文檔編號】H02M7/49GK103999345SQ201280063273
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2012年12月3日 優先權日:2011年12月22日
【發明者】E.魏森博恩, M.凱斯勒 申請人:羅伯特·博世有限公司