用于对蓄能器装置的蓄能器电池加热的方法和可加热的蓄能器装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于对具有多个串联在能量供应支路中的蓄能器模块的蓄能器装置的蓄能器电池加热的方法，所述蓄能器模块分别包括具有至少一个蓄能器电池的蓄能器电池模块和具有耦合元件的耦合装置，所述耦合元件被设计用于将该蓄能器电池模块选择性地连接或桥接到能量供应支路中。该方法在此具有以下步骤：将蓄能器装置的输出端子与直流电压中间电路耦合，控制至少一个第一蓄能器模块的耦合装置以便在第一预定时间间隔内将相应的蓄能器电池模块连接到能量供应支路中，以及在该第一预定时间间隔过去之后，控制至少一个第二蓄能器模块的耦合装置以便在第二预定时间间隔内将相应的蓄能器电池模块连接到能量供应支路中。
【专利说明】用于对蓄能器装置的蓄能器电池加热的方法和可加热的蓄能器装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于对蓄能器装置的蓄能器电池加热的方法和一种可加热的蓄能器装置、特别是一种具有用于电运行车辆的模块化的电池组系统的蓄能器装置。
【背景技术】
[0002]呈现出，今后不仅在固定的应用、诸如风力设备或太阳能设备中，而且在车辆、诸如混合动力车辆或电动车辆中增加地使用电子系统，所述电子系统将新的蓄能器工艺与电驱动技术相结合。
[0003]多相电流到电机中的馈入通常通过脉冲逆变器形式的变流器来实现。为此可以将由直流电压中间电路所提供的直流电压变流为多相交流电压、例如三相交流电压。在此由串行布线的电池组模块构成的支路对直流电压中间电路馈电。为了可以满足针对相应的应用所给定的对功率和能量的要求，经常将多个电池组模块串联在牵引电池组中。
[0004]文献DE 10 2010 027 857 Al 和 DE 10 2010 027 861 Al 公开了蓄能器装置中的模块化布线的电池组电池，所述电池组电池可以通过耦合单元的合适的控制选择性地被耦合到由串行布线的电池组电池构成的支路中或从该支路去耦。该类型的系统以名称Battery Direct Converter (电池组直接转换器，BDC)而已知。这样的系统包括蓄能器模块支路中的直流电源，所述直流电源可以连接到直流电压中间电路上以便通过脉冲逆变器给电机或电网供应电能。
[0005]蓄能器模块支路在此具有多个串联的蓄能器模块，其中每个蓄能器模块具有至少一个电池组电池和所分配的可控的耦合单元，该耦合单元允许根据控制信号桥接分别被分配的至少一个电池组电池或将分别被分配的至少一个电池组电池连接到相应的蓄能器模块支路中。该耦合单元可以可选地被形成，使得该耦合单元附加地允许将分别被分配的至少一个电池组电池也以反向极性连接到相应的蓄能器模块支路中或也中断相应的蓄能器模块支路。
[0006]BDC相对于常规的系统通常具有更高的效率和更高的故障安全性。故障安全性尤其通过以下方式被保证，即有缺陷的、故障的或不是完全有效率的电池组电池可以通过耦合单元的合适的桥接控制从能量供应支路断开。蓄能器模块支路的总输出电压可以通过耦合单元的相应的控制而被改变并且特别是分级地被设定。输出电压的分级在此由单独的蓄能器模块的电压得出，其中最大可能的总输出电压通过蓄能器模块支路的所有蓄能器模块的电压的总和来确定。
[0007]为了设定蓄能器模块的输出电压，可以进行耦合单元的脉宽调制(PWM)的控制。由此可以通过接通或关断时间的有目的的改变将所期望的中值作为蓄能器模块电压输出。
[0008]在电运行车辆、诸如电动汽车或混合动力车辆中使用的情况下可能出现，例如在冬天起动车辆时，这样的BDC的电池组电池的温度很低。因为典型地所使用的电池组电池具有依赖于温度的内阻，该内阻随着下降的温度而上升，所以可能的是，电池组电池在低温度的情况下不能提供全功率。
[0009]因此存在对以下方法的需求，该方法即使在低温度的情况下也可以保证电池组电池的全效率而不必使用昂贵的加热元件或时间和能量密集的外部的加热过程。
【发明内容】
[0010]本发明根据一个方面创造一种用于对具有多个串联在能量供应支路中的蓄能器模块的蓄能器装置的蓄能器电池加热的方法，所述蓄能器模块分别包括具有至少一个蓄能器电池的蓄能器电池模块和具有耦合元件的耦合装置，所述耦合元件被设计用于将该蓄能器电池模块选择性地连接或桥接到相应的能量供应支路中。该方法在此具有以下步骤:将蓄能器装置的输出端子与直流电压中间电路耦合，控制至少一个第一蓄能器模块的耦合装置以便在第一预定时间间隔内将相应的蓄能器电池模块连接到能量供应支路中，以及在该第一预定时间间隔过去之后，控制至少一个第二蓄能器模块的耦合装置以便在第二预定时间间隔内将相应的蓄能器电池模块连接到能量供应支路中。
[0011]根据另一方面，本发明创造一种系统，具有:具有多个串联在能量供应支路中的蓄能器模块的蓄能器装置，所述蓄能器模块分别包括具有至少一个蓄能器电池的蓄能器电池模块和具有耦合元件的耦合装置，所述耦合元件被设计用于将该蓄能器电池模块选择性地连接或桥接到能量供应支路中。该系统此外具有与该蓄能器装置的输出端子耦合的直流电压中间电路、与该直流电压中间电路耦合并且由该直流电压中间电路馈送输入电压的脉冲逆变器、与该脉冲逆变器耦合并且由该脉冲逆变器供应相电压的电机、和控制装置，该控制装置与所述耦合装置耦合，并且该控制装置被设计用于选择性地控制所述蓄能器装置的耦合装置以便提供该蓄能器装置的总输出电压并且执行根据本发明的方法。
[0012]本发明的构思是，通过电能从一个蓄能器模块到另外的蓄能器模块中的高频的、相互的转移来对具有串行布线在能量供应支路中的电池组电池的模块化地被构建的蓄能器装置加热。该策略利用以下认识，即通过电能从一个蓄能器模块到另外的蓄能器模块中的转移由在给蓄能器电池馈电时的损耗功率形成废热，该废热可以对蓄能器电池局部地加热。
[0013]这具有以下优点，即在低温的情况下具有不期望地高的内阻的蓄能器电池无需附加的加热措施或加热组件又可以被弓I到运行温度，在该运行温度下这些蓄能器电池具有全效率或几乎完全的效率。
[0014]按照根据本发明的方法的一种实施方式，第二预定时间间隔的持续时间可以依赖于直流电压中间电路中的电压的数值。按照根据本发明的方法的一种替代的实施方式，第二预定时间间隔的持续时间可以依赖于通过相应的蓄能器电池模块的通过电流的数值。在两种情况下，第二蓄能器模块可以与在直流电压中间电路中被中间存储的电能可供使用一样长地被充电。
[0015]按照根据本发明的方法的另一种实施方式，此外进行能量供应支路的第一和第二蓄能器模块的选择以便为直流电压中间电路提供供电电压。这具有以下优点，即对于以下运行状况只须对蓄能器模块的一部分加热，在所述运行状况中仅仅需要低的输入电压用于电机。这些被加热的蓄能器模块于是可以在这样的运行状况中、例如在起动电运行车辆时被用于提供供电电压，而其余的、还没有被加热的蓄能器模块此后才必须被加热。
[0016]按照根据本发明的方法的另一种实施方式，如果蓄能器电池的温度低于第一预定极限值，那么可以实施该方法。该行动在低温的情况下是特别有利的，在所述低温的情况下蓄能器电池的内阻是特别高的。
[0017]按照根据本发明的方法的另一种实施方式，控制至少一个第一蓄能器模块的耦合装置和控制至少一个第二蓄能器模块的耦合装置的步骤可以一直被交替，直至所参与的蓄能器模块的蓄能器电池的温度超过第二预定极限值。通过电能在蓄能器模块之间的该高频的转移，形成的损耗功率可以一直产生热量，直至蓄能器电池的内阻又足够低。
[0018]按照根据本发明的方法的另一种实施方式，可以通过耦合电感进行将蓄能器装置的输出端子与直流电压中间电路耦合的步骤。
[0019]按照根据本发明的系统的一种实施方式，耦合装置可以在全桥电路中包括耦合元件。替代地，耦合装置可以在半桥电路中包括耦合元件。
[0020]按照根据本发明的系统的另一种实施方式，蓄能器电池可以包括锂离子蓄电池。由于在低温的情况下提高的内阻而特别涉及该蓄能器电池类型。
[0021]本发明的实施方式的其它特征和优点从参考附图的随后的说明得出。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1示出根据本发明的一种实施方式的具有蓄能器装置的系统的示意图；
图2示出根据图1的蓄能器装置的蓄能器模块的一个实施例的示意图；
图3示出根据图1的蓄能器装置的蓄能器模块的另一个实施例的示意图；以及图4示出根据本发明的另一种实施方式的用于对系统中的蓄能器装置的蓄能器电池加热的方法的示意图。
【具体实施方式】
[0023]图1示出用于由蓄能器模块3所提供的直流电压到!1相交流电压的电压变换的系统100。该系统100包括具有蓄能器模块3的蓄能器装置1，所述蓄能器模块串联在能量供应支路中。该能量供应支路被耦合在蓄能器装置1的两个输出端子匕和化之间，所述两个输出端子分别被耦合到直流电压中间电路26上。图1中的系统100示例性地用于给三相电机6馈电。然而也可以规定，蓄能器装置1被用于产生用于能量供应网络6的电流。
[0024]此外蓄能器装置1通过耦合电感23与直流电压中间电路26耦合。耦合电感例如可以是有目的地连接在直流电压中间电路％和蓄能器装置1的输出端子匕之间的感应扼流圈。替代地，也可以是可能的是，耦合电感23通过在蓄能器装置1和直流电压中间电路26之间的布线中总归存在的寄生电感来构成。
[0025]直流电压中间电路26给脉冲逆变器4馈电，该脉冲逆变器由直流电压中间电路26的直流电压提供用于电机6的三相交流电压。
[0026]系统100此外可以包括控制装置8，该控制装置与蓄能器装置1连接，并且借助该控制装置可以控制蓄能器装置1，以便将蓄能器装置1的所期望的总输出电压提供给相应的输出端子匕、1匕此外控制装置8可以被设计用于在对蓄能器装置1的蓄能器电池充电时控制蓄能器装置1的相应的耦合元件或有源开关元件。
[0027]蓄能器装置1的能量供应支路具有至少两个串联的蓄能器模块3。蓄能器模块3的数量在图1中示例性地为四个，其中然而蓄能器模块3的任何其它的数量同样是可能的。蓄能器模块3分别具有两个输出端子3a和3b，通过所述输出端子可以提供蓄能器模块3的模块输出电压。因为蓄能器模块3最初是串联的，所以蓄能器模块3的模块输出电压相加为总输出电压，该总输出电压在蓄能器装置I的输出端子la、lb上被提供。
[0028]蓄能器模块3的两个示例性的结构形式在图2和图3中更详细地被示出。蓄能器模块3在此分别包括具有多个耦合元件7a、7c以及7b和7d的耦合装置7。蓄能器模块3此外分别包括具有一个或多个串联的蓄能器电池5a至5k的蓄能器电池模块5。
[0029]蓄能器电池模块5在此例如可以具有串联的电池5a至5k、例如锂离子电池或蓄电池。在此，图2和图3中所示出的蓄能器模块3中的蓄能器电池5a至5k的数量示例性地为两个，其中然而蓄能器电池5a至5k的任何其它的数量同样是可能的。蓄能器电池模块5具有Um的端电压并且通过连接线与所属的耦合装置7的输入端子连接。因此电压Um施加在所属的耦合装置7的输入端上。
[0030]在图2中，其中间抽头与输出端3a连接的串联的耦合元件7a和7c构成全桥的所谓的左分支并且其中间抽头与输出端3b连接的串联的耦合元件7b和7d构成全桥的所谓的右分支。耦合装置7在图2中被构造为具有各两个耦合元件7a、7c和两个耦合元件7b、7d的全桥电路。耦合元件7a、7b、7c、7d在此分别可以具有有源开关元件、例如半导体开关和与其并联的空转二极管。在此可以规定，耦合元件7a、7b、7c、7d被构造为MOSFET开关，所述MOSFET开关已经具有本征二极管。
[0031]耦合元件7a、7b、7c、7d可以例如借助在图1中所示出的控制装置9来控制，使得相应的蓄能器电池模块5选择性地被连接在输出端子3a和3b之间或蓄能器电池模块5被桥接。参考图2，蓄能器电池模块5例如可以通过以下方式以正向被连接在输出端子3a和3b之间，即耦合元件7d的有源开关元件和耦合元件7a的有源开关元件被置于闭合的状态，而耦合元件7b和7c的两个其余的有源开关元件被置于打开的状态。在该情况下，电压Um施加在耦合装置7的输出端3a和3b之间。桥接状态例如可以通过以下方式被设定，即耦合元件7a和7b的两个有源开关元件被置于闭合的状态，而耦合元件7c和7d的两个有源开关元件被保持在打开的状态。第二桥接状态例如可以通过以下方式被设定，即耦合元件7c和7d的两个有源开关被置于闭合的状态，而耦合元件7a和7b的有源开关元件被保持在打开的状态。在两种桥接状态下，电压O施加在耦合装置7的两个输出端3a和3b之间。同样，蓄能器电池模块5可以通过以下方式以反向被连接在耦合装置7的输出端子3a和3b之间，即耦合元件7b和7c的有源开关元件被置于闭合的状态，而耦合元件7a和7d的有源开关元件被置于打开的状态。在该情况下，电压-Um施加在耦合装置7的两个输出端3a和3b之间。
[0032]通过耦合装置7的合适的控制，蓄能器模块3的各个蓄能器电池模块5因此可以有目的地被集成到能量供应支路的串联电路中。由此可以通过有目的地控制耦合装置7以便选择性地将蓄能器模块3的蓄能器电池模块5连接到能量供应支路中而提供总输出电压，该总输出电压依赖于蓄能器模块3的蓄能器电池模块5的各个输出电压。总输出电压在此可以分别分级地被设定，其中分级的数量利用蓄能器模块3的数量来缩放。在η个蓄能器模块3的情况下,能量供应支路的总输出电压可以以在-η.Um,...,(),...,+!!.Um之间的2η+1级被设定。
[0033]图3示出蓄能器模块3的另一种示例性的构型形式的示意图。在此耦合装置7仅仅包括耦合元件7a和7c，所述耦合元件可以作为半桥电路将蓄能器电池模块5或者在桥接状态下或者在开关状态下以正向连接到能量供应支路中。此外，与结合图3针对那里所示出的全桥电路中的蓄能器模块3所解释的控制规则相似的控制规则适用。
[0034]蓄能器电池5a至5k的内阻是依赖于温度的:在锂离子蓄电池的情况下，在_10°C的温度下的内阻相对于在+25°C的温度下的内阻可以被提高直至十倍。由此蓄能器电池5a至5k的效率可能强烈地下降。特别针对需要高电流的电驱动系统中的状况、例如电运行车辆的起动状况，值得期望的是，由于高的电流负荷而使用具有低内阻的蓄能器电池5a至5k以便给电机2供电。
[0035]为了避免昂贵的、成本密集的、浪费空间的和/或重的加热元件或加热装置必须被设置用于蓄能器电池5a至5k，可以充分利用以下情况，即在电能从能量供应支路的一个蓄能器模块3传送到另外的蓄能器模块3中时由于电流负荷而出现废热形式的损耗功率。该废热可以被用于对所涉及的蓄能器模块3局部地并且临时地进行加热。对于该类型的加热不再需要附加的加热组件，因为只须为耦合装置7选择确定的控制策略，以便电能在两个蓄能器模块3之间来回地转移。
[0036]图4示出用于对蓄能器装置的蓄能器电池、例如图1中的蓄能器装置I的蓄能器电池5a至5k加热的方法10的示意图。该方法10特别适合于在电运行车辆中使用，所述车辆具有作为电机6的电动机。在这样的车辆中所使用的具有蓄能器电池5a至5k的蓄能器装置I例如在冬天或晚上遭受低温，因此利用该方法10加速并且简化电运行车辆的起动。通过能量在蓄能器装置I的蓄能器电池5a、5k之间的高频的再充电，可以通过在此所形成的充电损耗功率来加热所参与的蓄能器电池5a、5k，使得所述蓄能器电池的内阻下降并且所述蓄能器电池的效率因此被改进。如果蓄能器电池5a、5k的温度低于第一预定极限值，那么在此可以优选地实施该方法10。该第一预定极限值例如可以遵循以下温度，在该温度之下蓄能器装置I的蓄能器电池5a、5k的内阻超过最大允许的或所期望的值。
[0037]该方法10可以包括将蓄能器装置I的输出端子la、lb与直流电压中间电路2b连接或耦合作为第一步骤11。例如该连接在此可以通过电感组件2a、诸如存储扼流圈2a来进行。在该情况下，存储扼流圈2a和直流电压中间电路的电容作为升压转换器共同起作用，使得可以被提供给能量供应支路中的蓄能器模块3的电压可以通过存在于直流电压中间电路2b中的电压的升压在存储扼流圈2a中被提高。电感组件2a可以是一般的耦合电感2a，该耦合电感例如也作为寄生电感存在于蓄能器装置I的输出端上。
[0038]为了在直流电压中间电路2b中中间存储电能，可以在第二步骤12中进行至少一个第一蓄能器模块3的耦合装置7的控制，以便在第一预定时间间隔内将相应的蓄能器电池模块5连接到能量供应支路中。由此将电能从第一蓄能器模块3转移到直流电压中间电路2b中并且在那里进行中间存储。这样被中间存储的能量然后可以被传输到能量供应支路的至少一个第二蓄能器模块3中。为此，在第三步骤13中，可以在第一预定时间间隔过去之后进行至少一个第二蓄能器模块3的耦合装置7的控制，以便在第二预定时间间隔内将相应的蓄能器电池模块5连接到能量供应支路中。
[0039]如果直流电压中间电路2b中的电压足够高，那么步骤13可以直接紧接在步骤12之后，即直流电压中间电路2b中的电压于是也施加在第二蓄能器模块3上。由此第二蓄能器模块3被充电。在该情况下，再充电也可以以被定时的方式进行，即第二蓄能器模块3可以间歇性地被连接到能量供应支路中，以便不超过蓄能器电池模块5的所规定的电流极限值。第二预定时间间隔的持续时间可以遵循直流电压中间电路2b中的电压的电平，即如果直流电压中间电路2b中的电压下降到确定的水平以下，那么又可以切断第二蓄能器模块3，并且进行步骤12的重新重复。
[0040]然而，如果直流电压中间电路2b中的电压太低、即小于第二蓄能器模块3的电压，那么存储扼流圈2a可以被用作升压转换器的耦合电感。为此能量供应支路首先被切换为短路，使得直流电压中间电路2b的电容对存储扼流圈2a充电。在小的短路持续时间之后，然后可以在第三步骤13中将第二蓄能器模块3连接到能量供应支路中。如果来自存储扼流圈2a的电流降低到零，那么可以进行步骤12的重新重复，即第二预定时间间隔的持续时间可以遵循来自存储扼流圈2a的通过电流的数值。
[0041]步骤12和13在此可以一直被交替，直至所参与的蓄能器模块3的蓄能器电池5a、5k的温度超过第二预定极限值。该第二预定极限值例如可以遵循以下温度，在该温度之上蓄能器装置I的蓄能器电池5a、5k的内阻低于所期望的值。
[0042]然后可以在步骤14中进行能量供应支路的第一和第二蓄能器模块3的选择，以便为直流电压中间电路2b提供供电电压。特别是在只需要小的输入电压用于电机6的运行状况、例如电气车辆的起动中，可以有目的地选择如下蓄能器模块3，这些蓄能器模块已经被加热，以便为直流电压中间电路2b提供供电电压。例如只有当或者通过借助方法10的加热或者通过电运行车辆的行驶运行的自动加热进行了其余蓄能器模块3的此后的加热时，才在此后的运行阶段中接通这些蓄能器模块3。
【权利要求】
1.用于对具有多个串联在能量供应支路中的蓄能器模块(3)的蓄能器装置(I)的蓄能器电池(5a、5k)加热的方法(10)，所述蓄能器模块分别包括: 蓄能器电池模块(5)，所述蓄能器电池模块具有至少一个蓄能器电池(5a、5k)，和 具有耦合元件(7a、7b ;7c、7d)的耦合装置(7)，所述耦合元件被设计用于将所述蓄能器电池模块(5)选择性地连接或桥接到所述能量供应支路中， 其中所述方法(10)具有以下步骤: 将所述蓄能器装置(I)的输出端子(la、lb)与直流电压中间电路(2b)耦合(11); 控制(12)至少一个第一蓄能器模块(3)的耦合装置(7)，以便在第一预定时间间隔内将相应的蓄能器电池模块(5)连接到所述能量供应支路中；以及 在所述第一预定时间间隔过去之后，控制(13)至少一个第二蓄能器模块(3)的耦合装置(7)，以便在第二预定时间间隔内将相应的蓄能器电池模块(5)连接到所述能量供应支路中。
2.根据权利要求1所述的方法(10)，其中所述第二预定时间间隔的持续时间依赖于所述直流电压中间电路(2b)中的电压的数值。
3.根据权利要求1所述的方法(10)，其中所述第二预定时间间隔的持续时间依赖于通过相应的蓄能器电池模块(5)的通过电流的数值。
4.根据权利要求1至3之一所述的方法(10)，此外具有以下步骤:选择(14)所述能量供应支路的第一和第二蓄能器模块(3)，以便为所述直流电压中间电路(2b)提供供电电压。
5.根据权利要求1至4之一所述的方法(10)，其中如果所述蓄能器电池(5a、5k)的温度低于第一预定极限值，那么实施所述方法(10)。
6.根据权利要求1至5之一所述的方法(10)，其中控制(12)至少一个第一蓄能器模块(3)的耦合装置(7)和控制(13)至少一个第二蓄能器模块(3)的耦合装置(7)的步骤一直被交替，直至所参与的蓄能器模块(3)的蓄能器电池(5a、5k)的温度超过第二预定极限值。
7.根据权利要求1至6之一所述的方法(10)，其中通过耦合电感(2a)来进行将所述蓄能器装置(I)的输出端子(la、lb)与所述直流电压中间电路(2b)耦合(11)的步骤。
8.系统(100)，具有: 具有多个串联在能量供应支路中的蓄能器模块(3)的蓄能器装置(1)，所述蓄能器模块分别包括: 蓄能器电池模块(5)，所述蓄能器电池模块具有至少一个蓄能器电池(5a、5k)，和 具有耦合元件(7a、7b ;7c、7d)的耦合装置(7)，所述耦合元件被设计用于将所述蓄能器电池模块(5)选择性地连接或桥接到所述能量供应支路中； 直流电压中间电路(2b)，所述直流电压中间电路与所述蓄能器装置(I)的输出端子(la、lb) f禹合； 脉冲逆变器(4)，所述脉冲逆变器与所述直流电压中间电路(2b)耦合，并且所述脉冲逆变器由所述直流电压中间电路(2b)馈送输入电压； 电机(6)，所述电机与所述脉冲逆变器(4)耦合，并且所述电机由所述脉冲逆变器(4)供应相电压；以及 控制装置(8 )，所述控制装置与所述耦合装置(7 )耦合，并且所述控制装置被设计用于选择性地控制所述蓄能器装置(I)的耦合装置(7)以便提供所述蓄能器装置(I)的总输出电压并且执行根据权利要求1至6之一所述的方法(10)。
9.根据权利要求8所述的系统(100)，其中所述耦合装置(7)在全桥电路中包括耦合元件(7a ；7b ；7c ;7d)。
10.根据权利要求8所述的系统(100)，其中所述耦合装置(7)在半桥电路中包括耦合元件(7a ;7c)。
11.根据权利要求8至10之一所述的系统(100)，其中所述蓄能器电池(5a、5k)包括锂离子蓄电池。
【文档编号】B60L11/18GK104335412SQ201380028073
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2013年2月14日 优先权日:2012年3月29日
【发明者】P.福伊尔施塔克 申请人:罗伯特·博世有限公司