耦合單元和具有集成的脈衝逆變器和在運行中可更換的單元模塊的蓄電池模塊的製作方法

2023-12-12 13:17:27 1

專利名稱：耦合單元和具有集成的脈衝逆變器和在運行中可更換的單元模塊的蓄電池模塊的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於蓄電池模塊的耦合單元和具有該種耦合單元的蓄電池模塊。
背景技術：
在將來，無論在靜態的應用還是在諸如混合動力車輛和電動車輛的車輛中，將應用更多的蓄電池系統。為了能夠滿足針對各應用給出的對電壓以及所能夠提供的功率的要求，串聯了較高數量的蓄電池單元。因為由一個這樣的蓄電池提供的電流必須流過所有的蓄電池單元，並且一個蓄電池單元僅能夠導通受限的電流，因此通常還附加地並聯連接蓄電池單元，以便提高最大電流。這能夠通過在蓄電池單元罩殼內設置更多的單元包(Zellwickeln)或通過外部連接蓄電池單元來實現。然而，在此有問題的是，由於單元電容和電壓並不是精確地相同，在並聯連接的電池單元之間出現了均衡電流。
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在圖I中示出了常見的電驅動系統的原理電路圖，電驅動系統應用在諸如電動車輛和混合動力車輛中或者也應用在靜態應用(例如風力發電裝置的轉動葉片調節)中。蓄電池10連接至直流中間電路，該直流中間電路由電容器11緩衝保護。脈衝逆變器12連接至直流中間電路，該脈衝逆變器12通過兩個可接通的半導體閥和兩個二極體在三個輸出端上分別提供相對彼此相位移位的正弦電壓，以用於驅動電驅動電機13。電容器11的電容必須足夠大，以便使直流中間電路中的電壓穩定一時間段，在該時間段內接通可接通的半導體閥中的一個。在實際的應用中，諸如在電動車輛中，高電容位於mF範圍內。因為直流中間電路的電壓通常相當高，只有在高成本並且以大的空間要求的情況下才能夠實現這樣大的電容。圖2在具體的方框電路圖中示出了圖I的蓄電池10。多個蓄電池單元串聯連接，並可選地附加地並聯連接，以實現對於各應用所期望的高的輸出電壓和蓄電池容量。在蓄電池單元的正極和蓄電池正端子14之間連接了負載裝置和分隔裝置16。可選地，能夠附加地在蓄電池單元的負極和蓄電池負端子15之間連接分隔裝置17。分隔裝置和負載裝置16和分隔裝置17分別包括保護繼電器18和19，其被設置為用於將蓄電池單元與蓄電池端子分開，從而不帶電壓地連接蓄電池端子。否則，由於串聯連接的蓄電池單元的高直流電壓，對維護人員或類似的人將產生相當的危險電勢。在負載裝置和分隔裝置16中附加地設置有負載保護繼電器20和與負載保護繼電器20串聯連接的負載電阻21。如果蓄電池連接到直流中間電路，則負載電阻21限制電容器11的充電電流。在此，首先斷開保護繼電器18，並僅閉合負載保護繼電器20。如果在蓄電池正端子14上的電壓達到蓄電池單元的電壓，則能夠閉合保護繼電器19，並且必要時斷開負載保護繼電器20。保護繼電器18、19和負載保護繼電器20明顯提高了蓄電池10的成本，因為對其可靠性和對由其導通的電流的提出高的要求。大量蓄電池單元的串聯連接除了總電壓高之外，還帶來了這樣的問題，S卩如果一個蓄電池單元故障，則整個蓄電池故障，因為由於串聯連接，蓄電池電流必須流過所有的蓄電池單元。這樣的蓄電池故障能夠導致整個系統的故障。在電動車輛中,驅動蓄電池的故障能夠導致所謂的趴窩(Liegenbleiber)，在另外的諸如風力發電裝置的轉動葉片調節裝置中，在強風情況下，這能夠導致安全危險情況。因此蓄電池的可靠性高是有利的。根據定義，概念「可靠性」是指系統正確地工作預先給定的時間的能力。此外，蓄電池系統較高的可用性是值得期待的。可用性可理解為可維修的系統在規定的時刻處於可運轉的狀態的可能性。

發明內容
因此，依據本發明提供了一種用於蓄電池模塊的耦合單元，其中，所述耦合單元包括第一輸入端、第二輸入端、第一輸出端和第二輸出端。所述I禹合單兀被構造為響應於第一控制信號將所述第一輸入端和所述第一輸出端相連接，且將所述第二輸入端和所述第二輸出端相連接，且響應於第二控制信號將所述第一輸入端從所述第一輸出端分離，且將所述 第二輸入端從所述第二輸出端分離，且將所述第一輸出端與所述第二輸出端相連接。所述耦合單元使得一個或多個接在所述第一和所述第二輸入端的蓄電池單元要麼如此地耦接至所述耦合單元的所述第一和所述第二輸出端，從而向外部提供蓄電池單元的電壓；要麼通過連接所述第一輸出端和所述第二輸出端來跨接所述蓄電池單元，從而使得從外部可見的電壓為O伏。因此能夠相對於在圖I中示出的蓄電池系統極大地提高蓄電池系統的可靠性，因為單一的蓄電池單元的故障不會直接導致整個蓄電池系統的故障。此外將有力地改善蓄電池系統的可用性，因為通過所述第一和第二輸入端的去耦能夠無電壓地斷開連接至所述第一和第二輸入端的蓄電池單元，且之後在運行中移除並通過功能完好的來替換，這些蓄電池單元隨後又能夠接通。所述的耦合單元能夠包括至少一個換向開關，所述至少一個換向開關被構造為將第一或第二輸入端中的一個與所述第一或第二輸出端或者將所述耦合單元的中點與所述第一或第二輸出端相連接。通過至少一個換向開關的使用能夠確保在所述耦合單元發生故障時，也不會將所述第一輸入端與所述第二輸入端相短接並由此將可能連接的蓄電池單元短路。然而，換向開關只可實現為電子機械的開關，所以與之而來的是關於價格、尺寸和容錯率方面的缺點。替代地，所述耦合單元能夠包括第一開關、第二開關和第三開關，所述第一開關接在所述第一輸入端和所述第一輸出端之間，所述第二開關接在所述第二輸入端和所述第二輸出端之間，所述第三開關接在所述第一輸出端和所述第二輸出端之間。所述耦合單元的該種實施尤其適於用半導體開關來實現，其中，所述開關中的至少一個優選地被構造為MOSFET開關或絕緣柵雙極型電晶體(IGBT)開關。第二發明方面涉及具有根據第一發明方面所述的耦合單元和至少一個優選地為鋰離子蓄電池單元的蓄電池單元的蓄電池模塊，所述至少一個蓄電池單元接在所述耦合單元的所述第一輸入端和所述第二輸入端之間，其中，所述蓄電池模塊的第一端子與所述耦合單元的所述第一輸出端相連接，且所述蓄電池模塊的第二端子與所述耦合單元的所述第二輸出端相連接。如果所述至少一個蓄電池單元的所述電壓應該提供至所述蓄電池模塊的所述第一和第二端子，那麼所述耦合單元的所述第一輸入端將連接在其第一輸出端上且所述耦合單元的所述第二輸入端將連接在其第二輸出端上。如果相反地應該去激活所述蓄電池模塊，那麼所述第一輸入端將從所述耦合單元的所述第一輸出端分離，且所述第二輸入端將從所述耦合單元的所述第二輸出端分離且所述第一輸出端將與所述耦合單元的所述第二輸出端相連接。由此，所述第一和所述第二端子將相互導通連接，從而使得所述蓄電池模塊得出O伏電壓。第三發明方面引入了一種蓄電池，所述蓄電池具有一個或多個，優選地正好三個蓄電池模塊組。其中，所述蓄電池模塊組包括多個串聯的根據第二發明方面所述的蓄電池模塊。所述蓄電池還包括控制單元，所述控制單元被構造為生成用於所述耦合單元的所述第一和所述第二控制信號且將其輸出至所述耦合單元。所述蓄電池具有以下優點，S 卩即使在某個蓄電池單元發生故障時也能夠去激活該相關的蓄電池模塊，而所剩餘的蓄電池模塊繼續提供電壓。儘管由蓄電池最大可提供的電壓下降了，但是該電壓下降通常不會在該蓄電池驅動的裝置中導致整體的故障。此外能夠設計一定數量的額外的蓄電池模塊，當這些蓄電池模塊中的某個發生故障且必須被去激活時，在該蓄電池模塊的串聯連接中的蓄電池模塊將相應地減少。由此，所述蓄電池的電壓不會被某個蓄電池模塊的故障所損害且所述蓄電池的功能和蓄電池單元的故障無關，這又將極大地提高整個裝置的可靠性。此外，所述已去激活的蓄電池模塊的蓄電池單元通過所述第一和所述第二輸入端的分離是無電壓的(除了已去激活的蓄電池模塊自身的相對低的電壓以外)且能夠在運行過程中被更換。如果所述耦合單元包括如上所述的第一、第二和第三開關，那麼所述控制單元能夠被構造為閉合所選擇的耦合單元的所述第一開關和所述第二開關且斷開所選擇的耦合單元的所述第三開關，或者斷開所選擇的耦合單元的所述第一開關和所述第二開關且閉合所選擇的耦合單元的所述第三開關，或者斷開所選擇的耦合單元的所述第一、所述第二和所述第三開關。如果所有三個開關均為斷開的，那麼所述蓄電池模塊是高阻抗的，由此，所述蓄電池模塊組中的電流將被中斷。這在維修的情況下將是有用的，此時能夠將蓄電池模塊組的所有蓄電池模塊設置成高阻抗的狀態，以能夠無危險地更換損壞的蓄電池模塊或者整個蓄電池。由此，在圖2中示出的現有技術中的繼電器17和18將是多餘的，因為所述耦合單元已經提供了以下可能性，即在所述蓄電池的極上無電壓地斷開所述蓄電池。所述控制單元還被構造為，在第一時刻，將所選擇的蓄電池模塊組的所述耦合單元的所有第一輸入端與所選擇的蓄電池模塊組的所述耦合單元的所述多個第一輸出端相連接，且將所選擇的蓄電池模塊組的所述耦合單元的所有第二輸入端與所選擇的蓄電池模塊組的所述耦合單元的所述多個第二輸出端相連接，且在第二時刻，將所選擇的蓄電池模塊組的所述耦合單元的所有第一和第二輸入端從所選擇的蓄電池模塊組的所述耦合單元的所述多個第一和第二輸出端去耦，且將所選擇的蓄電池模塊組的所述耦合單元的所述第一和第二輸出端相連接。由此，在所述第一時刻，在所述蓄電池模塊組的輸出端將提供有所選擇的蓄電池模塊組的完全的輸出電壓，而在所述第二時刻，將輸出O伏電壓。由此，所述蓄電池模塊組的耦合單元將作為脈衝逆變器運行，所述脈衝逆變器如圖I所示在其輸出端上連接所述直流中間電路的正極或負極。通過使用諸如脈衝寬度調製的操控能夠生成近似正弦形式的輸出電壓，其中所述驅動電機的電機線圈用作過濾器。本發明的蓄電池能夠因此完全承擔現有技術中脈衝逆變器的功能。在具有多個蓄電池模塊組的實施例中，每個蓄電池模塊組能夠生成相對於其他的蓄電池模塊組有相移的輸出電壓，從而使得驅動電機能夠直接與所述蓄電池相連接。在此，所述蓄電池的總容量分布於多個蓄電池模塊組上也是有利的，由此便不用考慮或者至少能夠在明顯較小的範圍內進行蓄電池單元的串聯連接。由此能夠消除或者至少減小並聯的蓄電池單元間的補償電流，這將提高所述蓄電池的使用壽命。作為在圖I中唯一的直流中間電路的替代，因此設計了如此多的直流中間電路，如蓄電池模塊組。這種中間電路具有以下優點，即能夠減小尺寸或者完全取消可能設計的緩衝電容。所述蓄電池能夠具有與所述控制單元相連接的傳感器單元，所述傳感器單元被構造為檢測損壞的蓄電池單元且通知所述控制單元。其中所述控制單元被構造為通過輸出適當的控制信號以去激活具有所述損壞的蓄電池單元的蓄電池模塊。所述傳感器單元能夠例如測量所述蓄電池單元的單元電壓或者所述蓄電池單個的其他的運行參數，以推測所述蓄電池單元的的狀態。在此，「損壞的蓄電池單元」不僅能夠是實際上損壞的蓄電池單元，也能夠是以下的蓄電池單元，該種蓄電池單元的當前狀態示出其在不遠的將來有較高的可能性會成為實際上損壞的蓄電池單元。第四發明方面涉及一種機動車，其具有用於驅動所述機動車的電驅動電機和與所述電驅動電機相連接的根據前述發明方面所述的蓄電池。


本發明實施例將根據附圖和後續的說明進一步闡述，其中相同的附圖標記描述了相同的或功能上類似的部件。其中圖I示出了根據現有技術的電驅動系統；圖2示出了根據現有技術的蓄電池的方塊圖；圖3示出了依據本發明的耦合單元；圖4示出了該耦合單元的第一實施形式；圖5示出了該耦合單元的第二實施形式；圖6示出了依據本發明的蓄電池模塊的一個實施形式；圖7示出了依據本發明的蓄電池的第一實施形式；以及圖8示出了具有依據本發明的蓄電池的另一實施形式的驅動系統。
具體實施例方式圖3示出了依據本發明的耦合單元30。該耦合單元30具有兩個輸入端31和32以及兩個輸出端33和34。該耦合單元被構造為將第一輸入端31和第一輸出端33以及第二輸入端32和第二輸出端34相連接(且將第一輸出端33從第二輸出端34去耦)或者將第一輸出端33和第二輸出端34相連接(且此時將輸入端31和32去耦)。在該耦合單元的確定的實施形式中該耦合單元還能夠被構造為將兩個輸入端31、32從輸出端33、34分離，並且將第一輸出端33從第二輸出端34去f禹。然而並未設計將第一輸入端31與第二輸入端32相連接。圖4示出了該耦合單元30的第一實施形式，其中設計了第一、第二和第三開關35、36和37。第一開關35接在第一輸入端31和第二輸入端32之間，第二開關接在第二輸入端32和第二輸出端34之間，且第三開關接在第一輸出端33和第二輸出端34之間。該實施形式的優點是開關35、36和37能夠簡單地實現為半導體開關(例如MOSFETs或者IGBTs)。半導體開關具有低廉的價格和較高的開關速度的優點，從而使得該耦合單元能夠在很短的時間內對控制信號或者對控制信號的改變作出反應，且可以實現較高的切換率。圖5示出了該耦合單元30的第二實施形式，該實施形式具有第一換向開關38和第二換向開關39。也可以考慮以下的實施形式，在該實施形式中只設計有兩個換向開關38、換向開關39中的一個，且另外一個由開關35和37或者由37和36來取代。換向開關38、39具有下述原則上的特點在將各自餘下的輸入端去耦的情況下，只能將其各自的輸入端中的一個連接在其輸出端上。這種方式具有以下優點，即即便在所使用的開關或者控制單元發生故障時也絕不會將該耦合單元30的第一輸入端31和該耦合單元30的第二輸入端32相連接且由此將所連接的蓄電池單個短路換向開關38和39能夠簡單地實現為電子機械的開關。圖6示出了依據本發明的蓄電池模塊40的一種實施形式。多個蓄電池單元41串接在耦合單元30的輸入端之間。然而本發明不僅限於蓄電池單元的該種串聯連接，它也可以只有單一的蓄電池單元或者蓄電池單元的並聯或者混聯電路。該耦合單元30的第一輸出端與第一端子42相連接，且該耦合單元30的第二輸出端與第二端子43相連接。正如已·經闡釋的那樣，蓄電池模塊40具有以下優點，即耦合單元30的蓄電池單元41能夠從剩餘的蓄電池去耦，且因此在運行狀態下能夠無危險地更換。圖7示出了依據本發明的蓄電池的第一實施形式，該蓄電池具有η個蓄電池模塊組50-1至50-η。蓄電池模塊串50-1至50_η中的每個包括多個蓄電池模塊40，其中優選地，蓄電池模塊組50-1至50-η中的每個包含相同數量的蓄電池模塊，且蓄電池模塊40中的每個包含以相同的方式相連的相同數量的蓄電池單元。每個蓄電池模塊組的極能夠與其他的蓄電池模塊組的相應的極相連，這在圖7中用點線表示。通常，蓄電池模塊組能夠包含多於I個的任意數量的蓄電池模塊，且蓄電池能夠包含任意數量的蓄電池模塊組。當安全規範要求時，同樣能夠如圖2那樣在蓄電池模塊組的極上設計有額外的充電和分離裝置和分離裝置。然而依據本發明，這種分離裝置並非必須的，因為該蓄電池單個從蓄電池端子的去耦能夠通過包含在蓄電池模塊40中的耦合單元30來實現。圖8示出了具有依據本發明的另一實施形式的驅動系統。在示出的示例中，該蓄電池具有三個蓄電池模塊組50-1、50-2和50-3，它們分別直接連接至驅動電機13的輸入端。通常，絕大多數的可使用的電機都是三相信號驅動的，所以本發明的蓄電池優選地正好具有三個蓄電池模塊組。本發明的蓄電池還具有以下優點，即已經將脈衝逆變器的功能集成在了蓄電池之中。通過蓄電池的控制單元將所有的蓄電池模塊組激活或者去激活，在蓄電池模塊組的輸出端能夠提供O伏或者蓄電池模塊組的完全的輸出電壓。通過對脈衝逆變器的適當的操控(例如通過脈衝寬度調製)能夠為驅動電機13提供合適的相位信號。本發明除了具有上述的優點外還具有減少了高壓部件和連接線的數量的優點，並且提供了聯合蓄電池的冷卻系統和脈衝逆變器的冷卻系統的可能性，其中用於冷卻蓄電池單元的製冷劑接下來能夠用於冷卻脈衝逆變器的部件(以及耦合單元30)，因為這些部件通常會達到很高的工作溫度且通過已經由蓄電池單元加熱的製冷劑能夠充分地冷卻。此夕卜，還能夠聯合蓄電池和脈衝逆變器的控制單元並由此進一步節省開支。該耦合單元為脈衝逆變器和蓄電池提供了集成的安全架構並提高了整個系統的可靠性和可用性以及蓄電池的使用壽命。 具有集成的脈衝逆變器的蓄電池還具有以下優點，即其能夠非常簡單地由具有集成的耦合單元的單一的蓄電池模塊化地構建。由此能夠使用直流部分(模塊設計原理)。
權利要求
1.一種用於蓄電池模塊(40)的耦合單元(30)，所述耦合單元(30)包括第一輸入端(31)、第二輸入端(32)、第一輸出端(33)和第二輸出端(34)，其特徵在於，所述耦合單元(30)被構造為響應於第一控制信號將所述第一輸入端(31)和所述第一輸出端(33)相連接，且將所述第二輸入端(32)和所述第二輸出端(34)相連接，且響應於第二控制信號將所述第一輸入端(31)從所述第一輸出端(33)分離，且將所述第二輸入端(32)從所述第二輸出端(34)分離，且將所述第一輸出端(33)與所述第二輸出端(34)相連接。
2.根據權利要求I所述的耦合單元(30)，其具有至少一個換向開關(38、39)，所述至少一個換向開關被構造為將第一或第二輸入端(31、32)中的一個與所述第一或第二輸出端(33、34)相連接或者將所述耦合單元(30)的中點與所述第一或第二輸出端(33、34)相連接。
3.根據權利要求I所述的耦合單元(30)，其具有第一開關(35)、第二開關(36)和第三開關(37)，所述第一開關接在所述第一輸入端(31)和所述第一輸出端(33)之間，所述第二開關接在所述第二輸入端(32)和所述第二輸出端(34)之間，所述第三開關接在所述第一輸出端(33)和所述第二輸出端(34)之間。
4.根據權利要求3所述的耦合單元(30)，其中，所述第一開關(35)、所述第二開關(36)或所述第三開關(37)中的至少一個被構造為半導體開關，優選地為MOSFET開關或絕緣柵雙極型電晶體(IGBT)開關。
5.一種蓄電池模塊(40)，其具有根據前述權利要求中任一項所述的耦合單元(30)和至少一個蓄電池單元(41)，優選地為鋰離子蓄電池單元，所述至少一個蓄電池單元接在所述耦合單元(30)的所述第一輸入端(31)和所述第二輸入端(32)之間，其中，所述蓄電池模塊(40)的第一端子(42)與所述耦合單元(30)的所述第一輸出端(33)相連接，且所述蓄電池模塊(40)的第二端子(43)與所述耦合單元(30)的所述第二輸出端(34)相連接。
6.一種蓄電池，其具有一個或多個，優選地正好三個蓄電池模塊組(50)和控制單兀，其中，所述蓄電池模塊組(50)包括多個串聯的根據權利要求5所述的蓄電池模塊(40)，所述控制單元被構造為生成用於所述耦合單元(30)的所述第一和所述第二控制信號且將其輸出至所述耦合單元(30)。
7.根據權利要求6所述的蓄電池，其中，所述耦合單元(30)根據權利要求3或4中的一個構造，且其中所述控制單元被構造為閉合所選擇的耦合單元(30)的第一開關(35)和第二開關(36)且斷開所選擇的耦合單元(30)的第三開關(37)，或者斷開所選擇的耦合單元(30)的所述第一開關(35)和所述第二開關(36)且閉合所選擇的耦合單元(30)的所述第三開關(37)，或者斷開所選擇的耦合單元(30)的所述第一、所述第二和所述第三開關(35、36、37)。
8.根據權利要求6或7所述的蓄電池，其中所述控制單元還被構造為，在第一時刻，將所選擇的蓄電池模塊組(50)的所述耦合單元(30)的所有第一輸入端(31)與所選擇的蓄電池模塊組(50)的所述耦合單元(30)的多個第一輸出端(33)相連接，且將所選擇的蓄電池模塊組(50)的所述耦合單元(30)的所有第二輸入端(32)與所選擇的蓄電池模塊組(50)的所述耦合單元(30)的多個第二輸出端(34)相連接，且在第二時刻，將所選擇的蓄電池模塊組(50)的所述耦合單元(30)的所有第一和第二輸入端(31、32)從所選擇的蓄電池模塊組(50)的所述耦合單元(30)的多個第一和第二輸出端(33、34)去耦，且將所選擇的蓄電池模塊組(50)的所述耦合單元(30)的所述多個第一和第二輸出端(33、34)相連接。
9.根據權利要求6至8中的任一項所述的蓄電池，其具有與所述控制單元相連接的傳感器單元，所述傳感器單元被構造為檢測損壞的蓄電池單元(41)且通知所述控制單元，其中所述控制單元被構造為通過輸出適當的控制信號以去激活具有所述損壞的蓄電池單元(41)的蓄電池模塊(40)。
10.一種機動車，其具有用於驅動所述機動車的電驅動電機(13)和與所述電驅動電機(13)相連接的根據權利要求6至9中任一項所述的蓄電池。
全文摘要
本發明提出了一種用於蓄電池模塊(40)的耦合單元(30)，耦合單元(30)包括第一輸入端(31)、第二輸入端(32)、第一輸出端(33)和第二輸出端(34)。耦合單元(30)被構造為響應於第一控制信號將第一輸入端(31)和第一輸出端(33)相連接，且將第二輸入端(32)和第二輸出端(34)相連接，且響應於第二控制信號將第一輸入端(31)從第一輸出端(33)分離，且將第二輸入端(32)從第二輸出端(34)分離，且將第一輸出端(33)與第二輸出端(34)相連接。此外提出了具有該種耦合單元(30)和至少一個蓄電池單元(41)的蓄電池模塊(40)，該蓄電池單元接在耦合單元(30)的第一輸入端(31)和第二輸入端(32)之間。蓄電池模塊(40)的第一端子(42)與耦合單元(30)的第一輸出端(33)相連接，且蓄電池模塊(40)的第二端子(43)與耦合單元(30)的第二輸出端(34)相連接。本發明還引入了一種蓄電池，其具有一個或多個蓄電池模塊組(50)，其中，蓄電池模塊組(50)包括多個串聯的蓄電池模塊(40)。該蓄電池具有控制單元，控制單元被構造為生成用於耦合單元(30)的第一和第二控制信號且將其輸出至耦合單元(30)。
文檔編號H02M7/483GK102859833SQ201180019266
公開日2013年1月2日 申請日期2011年3月3日 優先權日2010年4月16日
發明者S·布茨曼, H·芬克 申請人:Sb鋰摩託有限公司, Sb鋰摩託德國有限公司