独立模块、电变换器系统和电池系统的制作方法

本发明涉及一种用于提供电变换器系统或电池系统的独立模块、以及一种相应的电变换器系统和一种相应的电池系统。

常见的电池可以是由独立部件、例如独立电池单元或子电池构成的固定布线的单元。这种电池在输出端基本提供直流电压。而许多耗电器例如需要有一定频率、振幅和/或相位的交流电压。此外，直流电压在充电状态中并非恒定。为了能在峰值电压及在充电终止电压的情况下驱动连接至电池的耗电器并能取用所需功率，耗电器须具有复杂的供电电路。

如果耗电器所需的电压截然不同于电池电压，则该电路因所谓的“低调制指数”而造成被提供给耗电器的输出电压的高损耗和高失真。在带有电驱动装置的机动车辆中，该电驱动装置尤其涉及在低速下一般需要低幅交流电压的驱动装置。在此，一般由脉宽调制引起的失真还加重隔离发动机的负担，进而不利地影响到发动机使用寿命。

为此，因为电池单元的物理和化学性能的离散性，须提供电池单元的复杂监测，以允许电池单元的均匀充电状态。

例如，如果电池的一个独立电池单元出故障，则一般整个电池不可用。于是，对于车辆而言，就必须考虑到车辆的彻底停用。在必要时，甚至必须主动迫使停车，以使故障电池部件在进一步负载时不会过热、或者甚至着火。

为了提供耗电器所需的输出电压，作为供电电路采用电变流器。各种类型的变流器用于将直流电转换为交流电(逆变器)、将交流电转换为直流电(整流器)或调整交流电压的频率和振幅(变换器)。与此相应，变流器可以具有不同的拓扑。

替代性地，代替变流器的使用，也可以通过相应电池连接的动态切换来产生耗电器所需的交流电压。在此，开关元件被动态切换，使电池的储能器以并联电路和/或串联电路的形式存在。这样的电池被称为连上的电池。不同于迄今的变换器，在此可以使将要预定的调制指数、即相应的频率调制的特征值在所有振幅下保持最大。此外，损耗在低电压时甚至降低，这是因为有效内电阻由于连上的电池的电池部件的并联电路而降低。此外，连上的电池(其中储能器可以在并联电路与串联电路之间来回切换)产生几乎无失真的输出电压，因为在两种配置的电压之间的分级可以保持很小。另外，通过开关调制可以在这样的电压之间进行调制，以进一步平滑。

电变换器、即子种类的电变流器将直流电压转换为交流电压。例如由de102010052934a1和de102011108920b4已知用于电变换器的拓扑。

在de102010052934a1中描述了一种电变换器系统，其具有至少两个同类的、串联连接的独立模块。这些独立模块具有至少四个内部开关元件、至少一个储能元件和至少四个接线端，其中的每两个接线端形成第一和第二端子对。每个独立模块的内部开关元件如下设计：它们能够选择性地将每个端子对的一个或两个接线端与储能元件相连接。至少两个独立模块的串联电路中的相应独立模块的开关元件将其相应储能元件与串联电路的接线端子相连，从而选择性地存在储能元件的串联电路或并联电路。

de102011108920b4延续了这种方案并且同样描述了一种由至少两个同类的、串联连接的模块构成的电变换器系统，其中，串联连接的模块形成了桥支路。这些模块具有至少一个模块电容器和多个开关元件。至少在这些串联连接的模块中的一个模块与下一个模块之间连接有中间模块，该中间模块具有至少一个用于储能的电感器。

在前述变换器中，两个模块的内部开关元件的开关状态之组合实现了这些模块的各种连接。为此需要恰好共同地、即同时地切换这些内部开关元件，以免短路。

其他电路无法将所有开关元件(它们须以相同电位被控制和/或同时被控制)集成到唯一模块中。而在这些其他已知电路中，多个模块须恰好同时地、即在100纳秒(sic.)的时间范围内被控制，而这比许多电子电路的因温差而出现的相应运行时间差明显更小。由此产生了所需同步化的高昂成本。

本发明的目的在于避免须恰好同时切换相互连接的独立模块中的多个开关元件的必要性。

根据本发明，该目的是通过根据独立权利要求的独立模块、变换器系统和电池系统来实现的。从相应的从属权利要求和说明书中获得本发明的构型。

以下和在本说明书的下文中，“电池部件”是指独立的电池单元，但也指多个电池单元的相互连接，例如具有多个电池单元的电池，其与具有多个电池单元的另一个电池连接。

以下和在本说明书的下文中，“电池”是指原电池、二次电池、各种电容器以及能量源和储能器，它们只采用直流电压。

根据本发明的独立模块用于与至少一个同类的第二独立模块连接。通过至少两个同类的独立模块的连接，能够提供根据本发明的电变换器系统或者根据本发明的电池系统。

根据本发明的独立模块具有至少一个储能器、至少五个内部开关元件、以及分别在该独立模块的第一侧和第二侧的至少两个接线端。储能器直接与该第一侧的至少两个接线端中的至少一个相连接。这些内部开关元件如下地安排且可连接：它们能够与该至少一个同类的第二独立模块的相应内部开关元件的开关状态无关地实现以下所有开关状态，这些开关状态是用于动态切换该至少一个储能器与该至少一个第二独立模块的至少一个相应的储能器之间的电连接。

在本发明的独立模块与至少一个同类的第二独立模块连接时，对相应独立模块的控制相比于从现有技术已知的模块连接被显著简化。此时甚至可以完全不同步地或者无序地切换相应的独立模块。

大多数电开关元件、尤其是晶体管须在其自身电位、例如所谓的电源电位方面被电控制。这导致许多控制器、例如各种晶体管的栅极驱动器必须通过单独的电压源、例如隔离电压源或者自举升压电源(boostrap-versorgungen)来提供。对于像在本发明独立模块中那样位于同一独立模块上的开关元件，所述控制能够以最少的不同电位进行。

位于同一独立模块上的开关元件可以以准确定时的方式(即以充分的同时性)被控制。而当开关元件被延时启用或停用时，就像必然例如在从现有技术已知的其他解决方案中那样，可能因横向电流或因有意的切换延缓而出现高损耗。

在本发明独立模块的一个实施方式中，这些内部开关元件是低电压半导体开关元件。即，开关元件被设计用于的最大电压明显低于由多个独立模块构成的系统的总电压，例如开关元件所属的独立模块的最大电压，其是由独立模块的储能器限定的。

这是可能的，因为根据本发明的用于动态切换至少一个储能器与至少一个第二独立模块的至少一个相应储能器之间的电连接的所有开关元件位于同一独立模块中。因此，这些开关元件只须针对低电压来设计并可以采用廉价的、从娱乐用电子设备已知的低电压构件。当前常见的高电压半导体开关元件不同于低电压构件、仅以很少的件数制造且由此过分昂贵(überproportional)。尤其是现代的mosfet构件(metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor，金属氧化物半导体场效晶体管)理想地用在本发明独立模块的实施方式中，因为其工作曲线线性地延伸经过电流-电压曲线的零点并且它们因此不具有电压偏移，由此mosfet可以很好地并联连接。

另外，提供一种采用至少一个本发明独立模块的本发明电变换器系统和一种采用至少一个本发明独立模块的本发明电池系统。

从说明书和附图中得到本发明的其他优点和构型。

不言而喻，以上提到的这些特征以及仍将在以下说明的特征不仅能够在对应引用的组合中使用，而且还可在其他组合中或者单独使用而不脱离本发明的范围。

本发明借助于在附图中的多个实施方式示意性地展示并且参照附图进行示意性及详细说明。

图1示出代表二象限模块的本发明独立模块的一个示例性实施方式。

图2示出代表四象限模块的本发明独立模块的另一个示例性实施方式。

图3示出具有冗余负载路径的本发明独立模块的一个实施方式。

图4示出多个本发明独立模块的示例性连接。

图5、图6和图7示出代表二象限模块的本发明独立模块的其他示例性实施方式。

图8至图11示出代表具有冗余负载路径的二象限模块的本发明独立模块的其他示例性实施方式。

图12、图13和图14示出代表四象限模块的本发明独立模块的其他示例性实施方式。

相关联地并且综合性地描述这些附图。相同的附图标记表示相同的部件。

参照图1来描述本发明的独立模块10的一个实施方式。所示独立模块10在第一侧(图1的左侧)具有两个接线端14a、14b。在第二侧(图1的右侧)，独立模块10具有另外两个接线端18a、18b，因而独立模块10总计具有四个接线端14a、14b、18a、18b。一侧的接线端14a、14b、18a、18b分别被设计成形成一个端子对。端子对或接线端14a、14b、18a、18b用于独立模块10与相邻独立模块10或节点的电连接，以实现这些独立模块的并联连接并形成侧串(图4)。

在第一侧的接线端14a、14b之间连接有储能器12。储能器12直接与两个接线端14a、14b中的至少一个相连接。可设想的是，紧接在储能器12之前或之后可以连接有电保险丝和/或开关元件等类似元件。

此外，本发明的独立模块10具有至少五个开关元件16-1、16-2、16-3、16-7、16-8。开关元件16-1、16-2、16-3、16-7、16-8如下地安排：这些开关元件将第一侧的接线端14a、14b与第二侧的接线端18a、18b相连；并且这些开关元件可以如下地互连：它们可以将本发明独立模块10的储能器12与(未示出的)同类的相邻独立模块的相应储能器并联或串联连接，或者可以跨接储能器12。即，针对相邻独立模块的两个储能器之间的不同开关状态(并联连接、串联连接、跨接、停用)所需要的所有开关元件16-1、16-2、16-3、16-7、16-8存在于一个独立模块10上。由此，可以以开关元件16-1、16-2、16-3、16-7、16-8之间的最小电位差来控制开关元件16-1、16-2、16-3、16-7、16-8。这允许开关元件16-1、16-2、16-3、16-7、16-8可以被设计成低电压开关元件，从而例如可以将从娱乐用电子设备已知的廉价的mosfet半导体开关元件用于开关元件16-1、16-2、16-3、16-7、16-8。此外，开关元件16-1、16-2、16-3、16-7、16-8的启用可以准确地同时进行。

在图1中，第一侧的接线端14a可以通过开关元件16-1和16-2与第二侧的接线端18a相连。接线端14a可以通过开关元件16-3与第二侧的接线端18b相连。第一侧的接线端14b可以通过开关元件16-7和16-8与第二侧的接线端18b相连。由此可以实现所提及的用于动态切换储能器12与相邻独立模块的相应储能器之间的电连接的所有开关状态。

为了将独立模块10的储能器12与同类的相邻独立模块的相应储能器并联连接，例如必须闭合开关元件16-1、16-2、16-7、16-8。由此，接线端14a与接线端18a电连接，而接线端14b与接线端18b电连接。开关元件16-3在此实例中此时处于断开的开关状态。

为了将独立模块10的储能器12与同类的相邻独立模块的相应储能器串联连接，例如只需闭合开关元件16-3。开关元件16-1、16-2、16-7、16-8须处于断开的开关状态。

为了切换成桥接独立模块10的储能器12(即为了建立旁路连接)，例如只须闭合开关元件16-1和16-2。开关元件16-3、16-7、16-8此时必须处于断开的开关状态。建立旁路连接的第二种可能性是：只闭合开关元件16-7和16-8，而此时开关元件16-1至16-3是断开的。

在图2中展示了本发明的独立模块20的另一个实施方式。图2的独立模块20的基本结构(具有一个储能器12和四个接线端14a、14b、18a、18b)与图1中的独立模块10的基本结构相同。但独立模块20具有六个开关元件16-1、16-2、16-3、16-5、16-6、16-7。此外，接线端14a、14b可以与接线端18a、18b相连且建立所有所需的开关状态(并联连接、串联连接、旁路连接、停用)。通过开关元件16-1、16-2、16-3、16-5、16-6、16-7的不同安排，特定的开关状态可以就其损耗而言相比于其他开关状态得以优化并因此允许将独立模块20针对相应应用个性化地适配。

为使独立模块20的储能器12与相邻独立模块并联连接，例如开关元件16-1、16-2和16-5、16-6被闭合。开关元件16-3和16-7则处于断开的开关状态。

为了实现储能器12与相邻独立模块的相应储能器的串联连接，例如开关元件16-3和16-6被闭合且开关元件16-1、16-2、16-5、16-7是断开的。储能器12与相邻独立模块的相应储能器的串联连接的另一种可能性在于：使开关元件16-2和16-7处于闭合的开关状态且使开关元件16-1、16-3、16-5、16-6处于断开的开关状态。由此提供了将储能器12串联连接的两种可能性，但它们分别具有不同的极性，这展示了四象限模块的特性，如同以下还将详述的那样。

当开关元件16-3和16-5至16-7断开时，独立模块20的储能器12的旁路连接可以通过闭合开关元件16-1和16-2来获得。当仅开关元件16-5、16-6闭合且开关元件16-1至16-3和16-7断开时，获得另一种旁路连接。

图3示出了本发明独立模块30的又一个实施方式。包括四个接线端14a、14b、18a、18b和一个储能器12的结构基本对应于已经在图1和图2中描述的拓扑结构。在所示实施方式中，本发明独立模块30现在具有八个开关元件16-1、16-2、16-3、16-4、16-5、16-6、16-7、16-8。为此，针对接线端14a、14b与接线端18a、18b的电连接中的每种连接(即14a-18a、14a-18b、14b-18a和14b-18b)分别提供两个负载路径。这允许针对较小的载流能力来设计开关元件16-1、16-2、16-3、16-4、16-5、16-6、16-7、16-8。

针对储能器12与同类的相邻独立模块的相应储能器之间的几乎所有的连接(例如图4所示)，图3所示的开关元件允许两个并行路径。这些开关元件被相应并行使用。但是，能够取消开关元件(如前述的图1和图2所示)，以减小复杂性。但是，剩余的开关元件则应该以相应较大的半导体实施，以实现相同的载流能力。通过相应选择半导体，特定的开关状态就其损耗而言可以相对于其他开关状态得以优化。

因此，开关元件16-1和16-2形成一个路径，该路径与由开关元件16-3和16-4构成的路径平行并延伸至同一目标，即根据方向延伸至接线端14a或接线端18a。开关元件16-5和16-4形成一个路径，该路径延伸至与由开关元件16-7和16-2构成的路径相同的目标，即根据方向延伸至接线端14b或接线端18a。开关元件16-1和16-8形成一个路径，该路径延伸至与由开关元件16-3和16-6构成的路径相同的目标。此外，开关元件16-7和16-8形成一个路经，该路径与由开关元件16-5、16-6构成的路径平行且延伸至同一目标，即根据方向延伸至接线端14b或18b。

在取消时，现在可以去除任何一个开关元件。但应该如此选择待取消的第二开关元件：使得仍然能够通过这些剩余的开关元件产生从每个接线端到每个其他接线端的连接。由此得到一系列简化的电路，在前述的图1和图2中以及在下述的图5至图14中示例性地展示其中两条电路。简化的电路基本上允许两种模块类型：即，二象限模块和四象限模块。

二象限模块允许两个相邻独立模块的储存器之间的任何形式的连接，即，储存器并联连接、储存器旁路连接、和储存器串联连接。但是，二象限模块在储存器串联连接的情况下仅允许一种极性方向。因此，在模块串中可以仅产生正电压和0v。在二象限模块中，除反向并联开关器外的任何开关器的续流二极管允许在至少一个方向上的不可控的电流流动。有利之处在于，对半导体的要求和欧姆损耗(线路损耗)明显低于四象限模块的情况。这还可能在下述状况时造成不可控的短路：即，因负载引起反向电流(例如在感应式负载的情况下)或者系统(例如具有马夸特宏观拓扑)作为多个端子(例如直流电、交流电或三相电的不同电网)之间的变换器起作用而其中一个所述端子被短路，由此由于相应二极管的短路可能在其他端子中引起短路。

四象限模块也像二象限模块那样同样允许储存器的任何形式的连接。但四象限模块在储存器串联连接时允许两种极性。因此，独立模块可以相对于相邻独立模块转换极性。此外，四象限模块有以下优点：即，它们是避免短路的，尤其当一个串或相位模块的负载被短路时，因为每个电流路径原则上通过反向并联开关器而允许在两个方向上控制电流流动。

图5示出了模块60，其基本上具有图1的模块10的结构。仅开关元件16-3被开关元件16-6代替，但其处于相同的电流路径上。即，模块60也具有二象限拓扑并允许与图1的模块10相同的功能。

图6和图7示出了其他根据本发明的独立模块。模块70具有五个开关元件16-1、16-2、16-5、16-7和16-8。模块80具有五个开关元件16-1、16-2、16-4、16-7和16-8。相比于模块10(图1)和60(图5)，在储能器串联连接时允许相反的极性。此外，模块70、80的结构与已述实施方式相同。

在图6和图7中，并联连接和旁路连接对应于模块10和60的开关状态。在图6中，当开关元件16-1、16-2和16-7、16-8断开时，可以通过闭合开关元件16-5来获得储能器12的串联连接。在图7中，这种串联连接通过相应闭合开关元件16-4来获得。

图8示出了另一个根据本发明的二象限模块90。模块90具有六个开关元件16-2至16-5和16-7、16-8。也可以利用此独立模块90实现相邻储能器的所有连接类型。对于相邻储能器的并联连接来说，例如开关元件16-3、16-4和16-7、16-8是闭合的。开关元件16-2和16-5对于并联连接而言是断开的。为了相邻储能器12的串联连接，例如开关元件16-4、16-5是闭合的。开关元件16-2、16-3、16-7、16-8是断开的。另一个串联连接可以在开关元件16-3至16-5和16-8断开时通过闭合开关元件16-2、16-7而获得。前述两个替代方案的组合提供了串联连接的第三种可能方案，即，当开关元件16-3、16-8断开时，闭合开关元件16-2、16-7和16-4、16-5。对于旁路连接来说，只需要允许从模块90的一侧到模块90的另一侧的一个路径，使得对于这种连接而言可以有多种开关状态。例如开关元件16-3和16-4是闭合的，而其余开关元件16-2、16-5、16-7、16-8是断开的。但开关元件16-7和16-8也可以是闭合的，而其余开关元件16-2至16-5是断开的。

图9至图11示出具有不同安排的六个开关元件的另外的二象限模块100、110、120，它们通过相应的开关元件的对应开关状态来允许储能器12的预定连接。

在图9中，当其余相应开关元件断开时，可以通过闭合开关元件16-1、16-8和/或开关元件16-3、16-6来实现串联连接。当开关元件16-1、16-6断开时，例如可以通过闭合开关元件16-3、16-4、16-7、16-8来实现并联连接。当其余的相应开关元件断开时，例如可以通过闭合开关元件16-3、16-4或者16-7、16-8来实现旁路连接。

在图10中，当其余相应开关元件断开时，可以通过闭合开关元件16-1、16-8和/或开关元件16-3、16-6来实现串联连接。当开关元件16-3、16-8断开时，例如可以通过闭合开关元件16-1、16-2、16-5、16-6来实现并联连接。当其余相应开关元件断开时，例如可以通过闭合开关元件16-1、16-2或者16-5、16-6来实现旁路连接。

在图11中，当在其余相应开关元件断开时，可以通过闭合开关元件16-4、16-5和/或开关元件16-2、16-7来实现串联连接。当开关元件16-4、16-7断开时，例如可以通过闭合开关元件16-1、16-2、16-5、16-6来实现并联连接。当其余相应开关元件断开时，例如可以通过闭合开关元件16-1、16-2或者16-5、16-6来实现旁路连接。

除了图2的四象限模块20外，图12至图14还示出了具有六个开关元件的其他四象限模块130、140、150。对于相邻储存元件的并联连接，例如在图12中可以闭合开关元件16-1、16-2和16-5、16-6并断开开关元件16-4和16-8。对于第一串联连接，例如开关元件16-4、16-5闭合且开关元件16-1、16-2、16-6、16-8断开。当开关元件16-1、16-8闭合且开关元件16-2、16-4至16-6断开时，获得另一种第二串联连接，其中，这种第二串联连接具有与前述第一串联连接的相反的极性。对于旁路连接，例如可以闭合开关元件16-1、16-2并保持开关元件16-4至16-6和16-8断开，或者仅闭合开关元件16-5、16-6并断开开关元件16-1、16-2、16-4、16-8。

在图13中，为了并联连接，例如可以闭合开关元件16-3、16-4和16-7、16-8并断开开关元件16-2和16-6。对于第一串联连接，例如开关元件16-2、16-7闭合且开关元件16-3、16-4、16-6、16-8断开。当开关元件16-3、16-6闭合且开关元件16-2、16-4、16-7、16-8断开时，获得另一种第二串联连接，其中，这种第二串联连接具有与前述第一串联连接的相反的极性。对于旁路连接，例如可以闭合开关元件16-3、16-4并保持开关元件16-2、16-6至16-8断开，或者仅闭合开关元件16-7、16-8并断开开关元件16-2、16-3、16-4、16-6。

在图14中，为了并联连接，例如可以闭合开关元件16-3、16-4和16-7、16-8并断开开关元件16-1和16-5。对于第一串联连接，例如开关元件16-4、16-5闭合且开关元件16-1、16-3、16-7、16-8断开。当开关元件16-1、16-8闭合且开关元件16-3、16-4、16-5、16-7断开时，获得另一种第二串联连接，其中，这种第二串联连接具有与前述第一串联连接相反的极性。对于旁路连接，例如可以闭合开关元件16-3、16-4并保持开关元件16-1、16-5、16-7、16-8断开，或者仅闭合开关元件16-7、16-8并断开开关元件16-1、16-3、16-4、16-5。

当相应的开关元件16-1至16-8都没有启用(即相应的开关元件16-1至16-8全都断开)且相应的开关元件16-1至16-8具有反向并联二极管时，所示的独立模块10、20、30、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150可以在由多个独立模块10、20、30、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150构成的系统内被停用。如果所有的开关元件均断开，则电流可以流入独立模块10、20、30、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150中，其中，独立模块10、20、30、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150本身进行平衡。即，如果有电压施加在由独立模块构成的系统上(该电压的值大于储能器12可提供的电压之和)，则储能器12被充电，其中，施加在该系统上的电压的极性对于储能器12的充电并不重要。

如果比图1、图2和图5至图14所示的更多的开关元件被去除，则省掉了一些开关状态，例如串联连接，这可能对某些应用有优势。

在图4中示出了多个独立模块30的示例性连接。多个独立模块30的串联连接形成一个串，从而可以形成多个侧串。在此，不同的侧串也可以相互并联连接。通过相应选择储能器12，可以在采用至少一个电容器作为储能器12时实现一种变换器系统、例如根据本发明的电变换器系统40，或者在采用多个子电池或电池单元作为储能器12时实现一种根据本发明的可连接的电池系统50。

也就是说，对于可连接的电池系统50而言，多个本发明的独立模块30被相互连接。在此情况下，独立模块30具有子电池的功能。通过设置多个相互连接的并在连接中为动态的子电池30，可以实现对迄今为止固定布线的电池在其连接方面被动态地再配置。子电池30的至少一个储能器12可以与相邻子电池的至少一个储能器12并联和/或串联连接，由此电池50可以在运行中被动态地再配置。因此，电池50可以直接提供直流电压、交流电压或其他电压形式。此外，电池50和/或独立模块或子电池30也可以例如针对它们出故障的情况进行跨接。尤其是至少两个本发明的相互连接的子电池30的储能器12可以在至少两个子电池30的储能器12的并联电路、至少两个子电池30的串联电路、至少两个子电池30的多个单独储能器的跨接电路和切断之间进行切换。

子电池30的连接的动态再配置允许尤其是以下功能的统一：子电池30之间的电量交换，以便例如可以执行传统的电池管理；跨接出故障的子电池，而不丧失电池总体功能；以及直接通过电池产生任何输出电压和电流或电压的时间变化曲线，而不需要附加的功率电子变换器。