专利名称：具有集成的脉冲逆变器和提高的可靠性的耦合单元和蓄电池模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于蓄电池模块的耦合单元以及具有这样的耦合单元的蓄电池模块。
背景技术：
在将来，无论在固定的应用还是在车辆诸如混合动カ车辆和电动车辆中，将增加 应用蓄电池系统。为了能够满足针对各应用给出的对电压以及所能够提供的功率的要求，串联了较高数量的蓄电池単元。因为由ー个这样的蓄电池提供的电流必须流过所有的蓄电池単元，并且ー个蓄电池単元仅能够导通受限的电流，因此通常还附加地并联连接蓄电池単元，以便提高最大电流。这能够通过在蓄电池单元罩壳内设置更多的単元包或通过外部连接蓄电池单元来实现。然而，在此有问题的是，由于单元电容和电压不精确相同，在并联连接的电池单元之间能够出现补偿电流。在图I中示出了常见的电驱动系统的原理电路图，电驱动系统诸如在电动车辆和混合动カ车辆中或者在静态应用中诸如风カ发电装置的转动叶片调节中使用的电驱动系统。蓄电池10连接至直流中间电路，该直流中间电路受电容器11缓冲保护。脉冲逆变器12连接至直流中间电路，该脉冲逆变器12通过两个可控的半导体阀和两个ニ极管在三个输出端上分別提供相对彼此相位移位的正弦电压，以用于驱动电驱动电机13。电容器11的电容必须足够大，以便使直流中间电路中的电压稳定ー时间段，在该时间段内接通可控的半导体阀中的ー个。在实际的应用中，诸如在电动车辆中，得出高电容在mF范围内。因为直流中间电路的电压通常相当高，只有在高成本并且以大的空间要求的情况下才能够实现这样大的电容。图2在具体的方框电路图中示出了图I的蓄电池10。多个蓄电池単元串联连接，并可选地附加地并联连接，以实现对于各应用所期望的高的输出电压和蓄电池容量。在蓄电池单元的正极和蓄电池正端子14之间连接了负载和分隔装置16。可选地，能够附加地在蓄电池単元的负极和蓄电池负端子15之间连接分隔装置17。分隔和负载装置16和分隔装置17分别包括保护继电器18和19，其被设置为用于将蓄电池单元与蓄电池端子分开，从而使得蓄电池端子不带电压。否则，由于串联连接的蓄电池単元的高直流电压，对维护人员或类似的人将有相当的危险电势。在负载和分隔装置16中附加地设置有负载保护继电器20和与负载保护继电器20串联连接的负载电阻21。如果蓄电池连接到直流中间电路，则负载电阻21限制电容器11的充电电流。在此，首先断开保护继电器18，并仅闭合负载保护继电器20。如果在蓄电池正端子14上的电压达到蓄电池単元的电压，则能够闭合保护继电器19，并且必要时断开负载保护继电器20。保护继电器18、19和负载保护继电器20明显提高蓄电池10的成本，因为对其可靠性和对由其导通的电流提出了高的要求。大量蓄电池単元的串联连接除了总电压高之外，还带来了这样的问题，S卩如果一个蓄电池単元故障，则整个蓄电池故障，因为由于串联连接，蓄电池电流必须流过所有的蓄电池单元。这样的蓄电池故障能够导致整个系统的故障。在电动车辆中,驱动蓄电池的故障能够导致所谓的趴窝(Liegenbleiber)，在另外的诸如风カ发电装置的转动叶片调节装置中，在强风情况下，这能够导致安全危险情況。因此蓄电池的可靠性高是有利的。根据定义，概念“可靠性”是指系统正确地工作预先给定的时间的能力。
发明内容
因此，依据本发明提出了一种用于蓄电池模块的耦合单元，其中，所述耦合単元具有第一输入端、第二输入端和输出端。耦合单元被构造为根据控制信号将第一输入端或第ニ输入端与输出端相连接。耦合单元能够将ー个或多个连接在第一和第二输入端之间的蓄电池单元耦合到耦合单元的输出端以使得外部能够有蓄电池单元的电压，或者绕过蓄电池单元以使得从外部看到OV的电压。相对于图I所示的蓄电池系统，蓄电池系统的可靠性大大提高了，因为单个蓄电池单元的故障不会直接导致蓄电池系统的故障。耦合单元能够具有换向开关，其被构造为根据控制信号将第一输入端或第二输入端与输出端相连接。替代地，耦合单元能够具有第一开关和第二开关，第一开关连接在第一输入端和输出端之间，第二开关连接在第二输入端和输出端之间。耦合单元的这样的实施形式特别适合用半导体开关实现，其中，第一开关和/或第二开关优选地被构造为MOSFET开关或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)开关。第二发明方面涉及具有依据第一发明方面的耦合单元的蓄电池模块，蓄电池模块还具有至少ー个蓄电池单元，优选为锂离子蓄电池单元，其连接在耦合单元的第一输入端和第二输入端之间，其中蓄电池模块的第一端子与耦合单元的输出端相连接，且蓄电池模块的第二端子与耦合单元的第二输入端相连接。如果在蓄电池模块的第一和第二端子上应当有至少ー个蓄电池単元的电压，则将耦合单元的第一输入端接通至其输出端。相反，如果应当使蓄电池模块失效，则将耦合单元的第一输入端与输出端断开，并将耦合单元的第二输入端与输出端相连接。由此将第一和第二端子导电地彼此相连，从而对于蓄电池模块得到OV的电压。第三发明方面更提出了ー种具有ー个或多个、优选为三个蓄电池模块组的蓄电池。在此蓄电池模块组包括多个串联连接的、依据第二发明方面的蓄电池模块。蓄电池还包括控制单元，其被构造为，产生用于耦合単元的控制信号并将其输出至耦合单元。蓄电池具有的优点在于，在一个蓄电池単元故障的情况下，能够使所涉及的蓄电池模块失效，而剩余的蓄电池模块继续提供电压。尽管蓄电池能够提供的最大电压下降了，然而在蓄电池运行的装置中，电压的下降通常不会导致其整体故障。此外可能的是，设置一些附加的蓄电池模块，如果蓄电池模块中的ー个故障并且必须使其失效时，将附加的蓄电池模块相应地包含在蓄电池模块的串联连接中。由此使得蓄电池的电压不会由于蓄电池模块的故障而受影响，并且蓄电池的功能不依赖于蓄电池単元的故障，由此又大大地提高了整体装置的可靠性。如果耦合单元具有如上文描述的第一和第二开关，则控制单元能够被构造为，闭合所选择的耦合单元的第一开关并断开所述所选择的耦合单元的第二开关，或者断开所述所选择的耦合单元的第一开关并闭合所述所选择的耦合単元的第二开关，或者断开所述所选择的耦合单元的第一开关和第二开关。如果断开第一开关和第二开关，则蓄电池模块为高阻，由此中断蓄电池模块组中的电流。这能够用于维护情况，其中例如能够将蓄电池模块组的所有的蓄电池模块设置为高阻状态，以便能够无危险地更换故障蓄电池模块。由此在图2中示出的现有技术的保护继电器17和18变得多余，因为耦合单元已经能够提供将蓄电池在其两个极上接为无电压的可能。控制单元还能够被构造为，在第一时间点将所选择的蓄电池模块组的耦合单元的所有第一输入端与所述所选择的蓄电池模块组的耦合单元的输出端相连接，并且在第二时间点将所述所选择的蓄电池模块组的耦合单元的所有第二输入端与所述所选择的蓄电池模块组的耦合单元的输出端相连接。由此在第一时间点，在所选择的蓄电池模块组的输出上有该蓄电池模块组的全部输出电压，而在第二时间点输出OV电压。由此将蓄电池模块组的耦合单元用作脉冲逆变器，如图I中所示，其将直流中间电路的正极或负极接通到脉冲逆变器的输出端。通过使用例如脉冲宽度调制控制，能够生成近似的正弦输出电压，其中驱动电机的电机绕阻作为滤波器。本发明的蓄电池由此能够完全承担现有技术中脉冲逆变器的功能。在具有多个蓄 电池模块组的实施形式中，每个蓄电池模块组能够生成相对于另外的蓄电池模块组相移的输出电压，从而能够将驱动电机直接与蓄电池相连接。此外，在此有利的是，蓄电池的总电容分摊到多个蓄电池模块组中，由此省去蓄电池単元的并联连接，或者至少能够以明显地减少的规模来实现。由此消除了或至少减少了在并联连接的蓄电池单元之间的均衡电流，这提高了蓄电池的寿命。替代如图I中的単一的直流中间电路，由此得出与设置的蓄电池模块组一祥多的直流中间电路。这样的优点在于，可能设置的缓冲电容器的尺寸能够较小或者能够完全省去。蓄电池能够具有与控制单元相连接的传感器単元，其被构造为，检测损坏的蓄电池単元并且向控制单元示出。在此，控制単元被构造为，通过输出适当的控制信号来使具有损坏的蓄电池単元的蓄电池模块失效。传感器単元例如能够测量蓄电池単元的単元电压或者蓄电池単元的其他运行參数，以便得出蓄电池単元的状态。在此，“故障的蓄电池単元”不仅能够是实际上故障的蓄电池単元，还能够是这样的蓄电池単元，其当前状态示出在不久的将来预计出现蓄电池单元的实际的故障的概率高。第四发明方面涉及具有电驱电机的机动车，该电驱动电机用于驱动该机动车，并且该机动车具有与该电驱动电机相连接的、依据前述发明方面的蓄电池。
下面根据附图和下面的说明书进ー步解释本发明的实施例，其中相同的附图标记表示相同或功能相同的部件。附图中图I示出了依据现有技术的电驱动系统；图2示出了依据现有技术的蓄电池的方框电路图；图3示出了依据本发明耦合单元；图4示出了耦合单元的第一实施形式；图5示出了耦合单元的第二实施形式；图6A和6B示出了依据本发明的蓄电池模块的第二实施形式；
图7示出了依据本发明的蓄电池的第一实施形式；以及图8示出了具有依据本发明的蓄电池的另ー实施形式的驱动系统。
具体实施例方式图3示出了依据本发明耦合单元30。耦合单元30具有两个输入端31和32以及ー个输出端33，并且被构造为，将输入端31和32中的一个与输出端33相连接，而将另ー个与输出端33去耦。在耦合单元的确定的实施形式中，这还能够被构造为将两个输入端31和32均与输出端33断开。然而没有设置将输入端31和输入端32均与输出端33相连接。图4示出了耦合单元30的第一实施形式，其具有换向开关43，换向开关43原则上能够仅将两个输入端31、32中的一个与输出端33相连接，而另外一个输入端31、32与输出端33去耦。换向开关43能够特别简单地实现为电机械开关。图5示出了耦合单元30的第二实施形式，其中设置了第一开关35和第二开关36。 每个开关连接在输入端31和32之ー和输出端33之间。相比于图4所示的实施形式，这ー实施形式的优点在干，能够将两个输入端31、32均与输出端33去耦，以使得输出端33变成高阻。此外，开关35、36能够简单地实现为诸如MOSFET或IGBT的半导体开关。半导体开关的优点在于价格便宜并且开关速度快，以使得耦合单元30能够在短时间内响应于控制信号或控制信号的变化，井能够实现高的转换率。图6A和6B示出了依据本发明的蓄电池模块40的第二实施形式。多个蓄电池单元41串联连接在耦合单元30的输入端之间。然而本发明并不局限于蓄电池単元这样的串联连接。也能够进设置単一的蓄电池単元，或者并联连接蓄电池単元或者混合串联-并联连接蓄电池单元。在图6A的例子中，耦合单元30的输出端与第一端子42相连接，且蓄电池单元的负极与第二端子43相连接。然而如在图6B中的镜像构造也是可能的，其中蓄电池単元的正极与第一端子42相连接，且耦合単元30的输出端与第二端子43相连接。图7示出了依据本发明的蓄电池的第一实施形式，其具有η个蓄电池模块组50-1至50-η。每个蓄电池模块组50-1至50-η具有多个蓄电池模块40，其中优选地每个蓄电池模块组50-1至50-η包含相同数量的蓄电池模块40，并且每个蓄电池模块40包含相同数量的按相同方式连接的蓄电池単元。每个蓄电池模块组的极能够与另ー蓄电池模块组的相应的极相连接，这通过图7中的虚线示出。一般地，蓄电池模块组能够包括大于I的任意数量的蓄电池模块，并且蓄电池能够包括任意数量的蓄电池模块组。如果安全规定需要，蓄电池模块组的极上还能够附加地连接负载和分隔装置以及分隔装置，如在图2中设置的。然而依据本发明这样的分隔装置并不是必须的，因为通过包含在蓄电池模块40中的耦合单元30能够实现将蓄电池単元与蓄电池端子去耦。图8示出了具有依据本发明的蓄电池的另ー实施形式的驱动系统。在所示出的例子中，蓄电池具有三个蓄电池模块组50-1、50-2、50-3，其分别直接连接到驱动电机13的输入端。因为大多数可用的电机被设计为通过三相信号驱动，本发明的蓄电池优选地具有刚好三个蓄电池模块组。本发明的蓄电池的优点还在干，已将脉冲逆变器的功能集成在蓄电池中。通过控制模块激活蓄电池模块组的所有蓄电池模块40或使蓄电池模块组的所有蓄电池模块40失效，在蓄电池模块组的输出端有OV或者蓄电池模块组的全部输出电压。通过诸如在脉冲逆变器中例如通过脉冲宽度调制适当地控制，能够提供用于驱动驱动电机13的适当的相位信号。除了已经提到的优点之外，本发明还具有減少高压元件、接插连接的数量的优点，并提供了这样的可能性，将蓄电池的冷却系统与脉冲逆变器的冷却系统结合在一起，其中，用于冷却蓄电池単元的冷却剂随后能够用于冷却脉冲逆变器(即耦合単元30)的元件，因为通常脉冲逆变器的元件达到的运行温度较高，并能够通过已经被蓄电池単元加热的冷却剂充分地冷却。此外可能的是，将蓄电池的控制单元和脉冲逆变器的控制单元结合在一起 并由此节约另外的开销。耦合单元提供了针对脉冲逆变器和蓄电池的集成的安全构想，并提高整个系统的可靠性和蓄电池的寿命。具有集成的脉冲逆变器的蓄电池的另外的优点在于，其能够由具有集成的耦合单元的单个蓄电池模块非常简单地模块化地构建。由此能够使用相同的部件(黑箱原理)。
权利要求
1.ー种用于蓄电池模块(40)的耦合单元(30)，所述耦合単元(30)包括第一输入端(31)、第二输入端(32)和输出端(33)，其特征在于，所述耦合単元(30)被构造为根据控制信号将所述第一输入端(31)或所述第二输入端(32)与所述输出端(33)相连接。
2.根据权利要求I所述的耦合単元(30)，具有换向开关(34)，其被构造为根据所述控制信号将所述第一输入端(31)或所述第二输入端(32)与所述输出端(33)相连接。
3.根据权利要求I所述的耦合単元(30)，具有第一开关(35)和第二开关(36)，所述第ー开关(35)连接在所述第一输入端(31)和所述输出端(33)之间，所述第二开关(36)连接在所述第二输入端(32)和所述输出端(33)之间。
4.根据权利要求3所述的耦合単元(30)，其中，所述第一开关(35)和/或所述第二开关(36)被构造为半导体开关，优选地被构造为MOSFET开关或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)开关。
5.ー种具有根据前述权利要求中任意一项所述的耦合单元(30)的蓄电池模块(40)，所述蓄电池模块(40)具有至少ー个蓄电池単元(41)，优选为锂离子蓄电池単元，所述蓄电池単元(41)连接在所述耦合単元(30)的所述第一输入端(31)和所述第二输入端(32)之间，其中所述蓄电池模块(40)的第一端子(42，41)与所述耦合単元(30)的输出端(33)相连接，且所述蓄电池模块(40)的第二端子(41，42)与所述耦合単元(30)的第二输入端(32)相连接。
6.ー种具有ー个或多个、优选为三个蓄电池模块组(50)的蓄电池，其中，蓄电池模块组(50)具有多个串联连接的、依据权利要求5所述的蓄电池模块(40)以及控制単元，其被构造为，产生用于所述耦合单元(30)的控制信号并将其输出至所述耦合単元(30)。
7.根据权利要求6所述的蓄电池，其中，依据权利要求3或4中任意一项构造所述耦合単元(30)，并且其中，所述控制単元被构造为，闭合所选择的耦合单元(30)的第一开关(35)并断开所述所选择的耦合単元(30)的第二开关(36)，或者断开所述所选择的耦合单元(30)的第一开关(35)并闭合所述所选择的耦合単元(30)的第二开关(36)，或者断开所述所选择的耦合単元(30)的第一开关和第二开关(35，36)。
8.根据权利要求6或7中任意一项所述的蓄电池，其中，所述控制单元还被构造为，在第一时间点将所选择的蓄电池模块组(50)的耦合单元(30)的所有第一输入端(31)与所述所选择的蓄电池模块组(50)的耦合单元(30)的输出端(33)相连接，并且在第二时间点将所述所选择的蓄电池模块组(50)的耦合单元(30)的所有第二输入端(32)与所述所选择的蓄电池模块组(50)的耦合单元(30)的输出端(33)相连接。
9.根据权利要求6至8中任意一项所述的蓄电池，具有与所述控制単元相连接的传感器単元，其被构造为，检测损坏的蓄电池単元(41)并且向所述控制単元示出，其中，所述控制単元被构造为，通过输出适当的控制信号来使具有损坏的蓄电池単元(41)的蓄电池模块(40)失效。
10.ー种具有电驱动电机(13)的机动车，所述电驱动电机(13)用于驱动所述机动车，并且所述机动车具有与所述电驱动电机(13)相连接的、根据权利要求6至9中任意ー项所述的蓄电池。
全文摘要
描述了一种用于蓄电池模块(40)的耦合单元(30)，所述耦合单元(30)包括第一输入端(31)、第二输入端(32)和输出端(33)。依据本发明，所述耦合单元(30)被构造为根据控制信号将所述第一输入端(31)或所述第二输入端(32)与所述输出端(33)相连接。此外实现了一种具有这样的耦合单元(30)和至少一个蓄电池单元(41)的蓄电池模块(40)，蓄电池单元(41)连接在耦合单元(30)的第一输入端(31)和第二输入端(32)之间。所述蓄电池模块(40)的第一端子(42)与所述耦合单元(30)的输出端(33)相连接，且所述蓄电池模块(40)的第二端子(43)与所述耦合单元(30)的第二输入端(32)相连接。此外本发明还实现了一种具有一个或多个蓄电池模块组(50)的蓄电池，其中，蓄电池模块组(50)具有多个串联连接的蓄电池模块(40)。蓄电池具有控制单元，其被构造为，产生用于所述耦合单元(30)的控制信号并将其输出至所述耦合单元(30)。
文档编号B60L11/18GK102844958SQ201180019276
公开日2012年12月26日 申请日期2011年2月18日 优先权日2010年4月16日
发明者S·布茨曼, H·芬克 申请人:Sb锂摩托有限公司, Sb锂摩托德国有限公司