具有电池控制件的电池系统的制作方法
【专利摘要】公开一种用于向多个负载消耗装置提供相应的多个电压水平的电池系统(10)，具有：至少一个具有多个电池元件(1，2，24，n)的电池(9)；调节或控制单元(12)；以及带有至少一个切换元件(6)的切换单元(3)，该调节或控制单元(12)被配置成用于指令该切换单元(3)随着时间动态地切换该至少一个切换元件(6)而使得该多个电池元件(1，2，24，n)的至少一个相应地动态变化的子集中的多个电池元件(1，2，24，n)实现连接，并且由此向该多个负载消耗装置提供所要提供的对应电压水平。除了提供多个电压水平之外，这些电池元件(1，2，24，n)还被有意地加载。本发明还涉及对这种电池系统(10)的调节或控制(30)。
【专利说明】
具有电池控制件的电池系统
技术领域
[0001]本发明总体上涉及一种用于供电应用的电池系统并且具体涉及一种用于车辆的电气系统中的电池系统、并且涉及对该电池系统的调节和控制。
【背景技术】
[0002]具有内燃发动机的常规机动车辆针对控制装置和其他电气单元使用了例如具有大约12伏(V)电压的至少一个低电压车辆电气系统。由于供电要求越来越高，所以目前在商用车辆和最新型号的机动车辆中建立了在大约48V左右的较高电压水平。
[0003]在包括电动混合动力车辆和电池电动车辆在内的电动车辆中，这样的低电压一般不足以向电气驱动器供电。为此原因，该电气驱动器被供以目前通常高达400V的电压。400V的电压一般是由所谓的高电压储存器(通常为处于一定数量的二级电池单元的形式而不限制一般性的电池)提供。在这种情况下，通常并不更换用于其他电气负载的低电压车辆电气系统。然而，适当的是至少部分地用来自高电压储存器的能量来供应或支持它，以便减少或完全省去车辆电气系统中的其他能量储存器，例如电容器或电池。此外，能量还可以从一个或多个车辆电气系统传输至高电压侧，以便例如在空电池的情况下实现所谓的应急运行(跛行)的能力，也就是说仍使得车辆能够前行至下一个可能充电的地点、或者在混合动力车辆的情况下经由电动机器来启动内燃发动机。
[0004]在电气商用车辆、跑车和赛车中，情形更加困难。用400V和更低电压的高电压水平只能以高的损失来提供大于250千伏安(kVA)的电驱动功率。在这样的车辆中，是以更高电压、例如800V或1200V来进行运行的。然而，迄今为止在车辆构造中还没有建立或标准化这些电压。为此原因，并非车辆的所有所需电气负载都是在这个电压水平下可用的或者是与之兼容的。对于某些装置，这样的高电压也从根本上不是最佳的或者出于安全原因不是所推荐的。相应地不可以用这个增大的高电压的电气负载必须相应地要么在这些低电压车辆电气系统之一上运行，前提是它们的高功率要求不与此相悖，要么甚至以额外的电压水平运行。这个额外的电压水平在此情况下同样是借助于电压转换器用来自其他现有电压水平之一的能量来供应的。
[0005]在车辆中电压水平数量的增多和电气负载功率要求的增大需要成本密集的电压转换器以用于能量交换。此外，这样的电压转换器增加了车辆重量。
[0006]现有技术能够通过使用电压转换器(具体地DC-DC转换器)来从单独的电压水平供应出这些不同的电压水平、或者在这些电压水平之间交换能量。这样的DC-DC转换器不利地具有低于百分之百的效率，其结果是要传送的功率必须保持尽可能低，以便减小损失。
[0007]此外，这样的DC-DC转换器必须是针对预期的峰值功率来设计的。这种设计大大影响了DC-DC转换器的重量、安装空间和成本。此外，还影响了平均效率。如果预期的峰值功率远高于平均功率，则该转换器的平均效率大大降低，因为来自现有技术的DC-DC转换器普遍在部分负载范围内具有高损失。为此原因，通过DC-DC转换器来对高功率的、另外还仅是偶尔才会运行的负载(例如空调压缩机)供电的实践是极其不利的。
[0008]为了同样允许负载在由DC-DC转换器供应的电压水平下具有高的波动性，需要一种大且可受载的缓冲器，例如低阻抗电池，或者极其快速的调节以及在DC-DC转换器中开关的高切换速率，但是这种方式可能对于效率具有不利的影响。这两个替代方案都导致车辆成本增加。
[0009]此外，DC-DC转换器并非必须为双向的，也就是说它们不必允许两个方向上的能量流动、而是必须在希望时有意地具备这样的功能性。这个步骤限制了对可能的电路或成品装置的选择并且一般造成额外的成本。
[0010]为了减小电动车辆在常规交流电或三相电流情况下的长充电时间，在现有技术中已经建立了用经调制的DC电压或直流电对电池直接充电的实践[Y.Du，S.Lukic，B.Jacobson,A.Huang(2011),Review of high power isolated b1-direct1nal DC-DCconverters for phev/ev DC charging infrastructure(用于phev/ev DC充电架构的高功率绝缘双向 DC-DC 转换器综述)，IEEE ECCE, 553-560 ；M.Yilmaz, P.T.Krein( 2013),Review of Battery Charger Topologies,Charging Power Levels,and Infrastructurefor Plug-1n Electric and Hybrid Vehicles(电池充电器技术、充电功率水平、以及用于插电式电动车辆和混合动力车辆的架构综述)，IEEE Transact1ns on PowerElectronics,28(5):2151-2169]ο
[0011]在现有技术的车辆中，车辆一般对充电系统提供了与高电压电池的端子的直接连接，其结果是该充电系统能以电流受控的和/或电压受控的方式用非常高的电流对该高电压电池进行充电。由于与电池的几乎直接连接(其中充电电能不经转换)，就可以绕过典型转换功率电子充电电路(例如DC-DC转换器或经调制整流器，其半导体和磁部件由于受热而具有严格的电流限制)的限制。因此有可能用更高的电流进行快得多的充电。同时，可以避免非常重的、庞大的并且成本密集的功率电子充电电路，并且因此可以减小车辆重量。此夕卜，可以在该DC电压充电系统中进行充电调节。
[0012]然而，现有技术中已经建立的是上至最大400V的DC电压充电。因此，使用提供DC电压充电系统的现有充电站仅能对具有更高电池电压的未来车辆进行部分充电或根本不能充电。与现有充电基础设施不兼容的这样的车辆对于制造商而言可能是无销路的。
[0013]使用来自现有技术的、将直流电或来自DC电压充电系统的DC电压适配成车辆的自身电池电压的DC-DC转换器具有众多缺点。由于目前大于150千瓦(kW)的极其高的充电功率，这样的DC-DC转换器将是空间上非常巨大的并且由于目前不能集成的磁部件(例如线圈和变压器)而将是非常重且成本密集的。由于DC-DC转换器必须针对相应车辆中的电池来单独设计，因此它很有可能是安装在该车辆中的并且因此进一步使得电动车辆的极其高的重量增加、并且限制了里程。根据现有技术，所要求的、将根据切换转换原理进行转换的极高的功率将导致发射可观的电磁干扰，这可能比车辆中的DC-DC转换器中目前已知的干扰高出至少两个量级。
[0014]由于DC电压充电系统还采取与高电压电池端子的直接连接，因此对电压进行适配的这样的DC-DC转换器将一方面必须执行对电池的充电调节、但另一方面必须对DC电压充电系统模拟具有减小的电压的电池。这样的DC-DC转换器需要复杂的调节并且目前在现有技术中尚未建立。
[0015]文件US2009/0079384描述了一种系统，经由一种类型的切换矩阵，该系统将电池模块全都串联地或并联地表示出并且在此情况下好似一种Marx转换器。这个解决方案一方面不利地需要非常大量的开关、并且另一方面后者必须是双向的。然而，双向开关仅能用高的花费实施成半导体开关。具体而言，这些开关必须针对最大电池电压进行设计并且必须能够将后者断开。
[0016]文件US2012/0007557提出了一种系统，其中电池是例如作为多个电池元件的串联电路来充电的、但是作为并联电路来放电的，这是通过对于在运行期间不可变的连接器或其他装置进行相应地设计而实现的。
[0017]文件US 4,818,928描述了一种由两个电池元件组成的电池，其中这两个电池可以是借助于电气开关串联地或并联地连接的并且可以连接到负载。
[0018]在文件US 2012/0091731中描述了使多个电池元件工作、并将其均匀地加载和充电的一种可能。所述文件描述了一种电池充电系统，该电池充电系统在驱动电气负载期间的串联电路与充电操作期间的并联电路之间控制安排成多个电池组的多个电池的安排。
[0019]文件US2012/0200242提出了一种系统，该系统借助于适当的切换而使之有可能使用两个专用电池通过改变电池来针对负载动态地设定电压的极性。尽管如此，它不能产生具有绝对值电压、并且具体地不能产生除了所用电池的这两个电压之外的任何电压。
[0020]文件US 2013/0127400披露了车辆中两个电池(一个主电池和一个辅助电池)的并联运行，该辅助电池短期供应一个或多个负载而该主电池能够经由电压转换器(例如DC-DC转换器)来对该辅助电池进行再充电。这两个电池不能进行组合并且必须求助于切换转换来产生除这些电池的电压之外的电压水平。没有提供能实现这种操作的电子电路。
[0021]文献中的多个发明描述了用于在一个电池的多个部分(一般来讲是电池的不同电池单元)之间进行电量交换以便以较低的损失来对电量差异进行补偿的电路。例如，文件US5,710,504和US 6，064，178以及!1.-5.?&4，(:.4.灯111，(:.-!1.灯111，6.-￥.]\10011，了.-!1.1^6的公开案[(2009)，A modularized charge equalizer for an hevlithium-1on batterystring, IEEE Transact1ns on Industrial Electronics(用于hev裡离子电池串的模块化电荷均衡器)，56(5): 1464_1476]and Einhorn et al.[M.Einhorn,ff.RoessIer,J.Fleig(2011), Improved performance of serially connected L1-1on batteries withactive cell balancing in electric vehicles(电动车辆中具有主动电池单元平衡的串联锂.离子电池的改进性能)，IEEE Transact1ns on Vehicular Technology,60(6):2448-2457]各自描述了通过使用储存元件、例如电容或电感来在一个电池的多个部分之间进行电量交换的不同系统。
[0022]然而，这些来自现有技术的文件均未提供一种以使得可以去除或供应高电功率的方式从电池产生至少一个其他电压水平的解决方案。
【发明内容】
[0023]本发明的一个目的是提供一种系统，该系统能够控制其多个电压水平和/或对来自高电压能量储存器的电压加以降压。
[0024]根据本发明，这个目的是通过一种具有下述I的特征的电池系统实现的。本发明还提供一种具有下述16的特征的电池控制件。下述2-15和17-18为本发明的优选技术方案。
[0025]1.—种用于向多个负载消耗装置提供相应的多个电压水平的电池系统(10)，该电池系统具有:至少一个具有多个电池元件(I，2，24，n)的电池(9);调节或控制单元(12);以及，带有至少一个切换元件(6)的切换单元(3)，该调节或控制单元(12)被配置成用于指令该切换单元(3)随着时间动态地切换该至少一个切换元件(6)，从而使得该多个电池元件(I，2，24，η)的至少一个相应地动态变化的子集中的多个电池元件(I，2，24，η)实现连接，并且由此向该多个负载消耗装置提供所要提供的对应电压水平。
[0026]2.如上述I所述的电池系统(1)，其中对应的所述电池元件(I，2，24，η)能通过实现至少一个预先限定的调节目标来被有意地加载。
[0027]3.如上述I或2所述的电池系统(10)，其中能够对该多个负载消耗装置中的每一个提供不同的电压水平，该对应的负载消耗装置是针对该电压水平来设计和配置的。
[0028]4.如上述I至3之一所述的电池系统(10)，其中该电池(9)和/或该多个电池元件(I，2，24，η)具有至少一个额外的电池分接点(7)，该电池分接点安排在该电池(9)和/或对应的电池元件(I，2，24，η)的正极(8+)与负极(8-)之间并且能与其他额外的电池分接点(7)进行组合并且能用于提供部分电压，该部分电压与该电池(9)在该正极(8+)与该负极(8-)之间所能提供的总电压不同，该正极(8+)和该负极(8-)本身相应地形成了一个电池分接点，其结果是该电池(9)具有至少三个电池分接点(7，8+，8_)。
[0029]5.如上述4所述的电池系统(10)，其中该调节或控制单元(12)被配置成用于指令该切换单元(3)来切换所述切换元件(6)并且由此使得该多个电池元件(I，2，24，η)以被有意地加载的方式在所述电池分接点(7，8+，8_)之间来回切换。
[0030]6.如上述5所述的电池系统(10)，该电池系统针对在该电池(9)的该正极(8+)与该负极(8-)之间的至少一对输出端子(4)具有至少一对额外的输出端子(5)，这对额外的输出端子(5)提供的电压至少间或地与该电池(9)在该正极(8+)与该负极(8-)之间所能提供的总电压不同。
[0031]7.如上述6所述的电池系统(10)，其中至少一对输出端子(4，5，5-1，5-2)具有至少一个切换元件(6)，该至少一个切换元件交替地将该至少一对输出端子(4，5，5-1，5-2)电连接至所述电池分接点(7，8+，8_)的至少两个不同组合上、或者根据其切换方向来将所述对断开连接。
[0032]8.如上述7所述的电池系统(10)，其中该调节或控制单元(12)被配置成用于指令该切换单元(3)以使得至少一对输出端子(4，5，5-1，5-2)以电连接至不相同的至少两对电池分接点(7，8+，8_)上、或者与之断开连接的方式来切换该至少一个切换元件(6)。
[0033]9.如上述7和8之一所述的电池系统(10)，其中额外的不同的至少两对输出端子(5，5-1，5-2)经由该至少一个切换元件(6)而连接至电池分接点(7，8+，8-)的一个相关联的不相同的组对集合。
[0034]10.如上述7至9之一所述的电池系统(10)，该电池系统被配置成用于向至少一对输出端子(4，5，5-1，5-2)提供多个电压水平，且该电池系统能够在该多个电压水平之间间或地改变。
[0035]11.如上述I至10之一所述的电池系统(10)，其中该至少一个切换元件(6)是半导体切换元件或整流元件(14)。
[0036]12.如上述4至10之一所述的电池系统(10)，其中所述电池分接点(7，8+，8_)将该电池(9)加以再划分，其方式为使得每个电池元件(I，2，24，η)以同样的频度被不同的多对电池分接点(7，8+，
[0037]8-)包围。
[0038]13.如上述4至12之一所述的电池系统(10)，其中，该调节或控制单元(12)被配置成用于指令该切换单元(3)以小于100赫兹(Hz)的转换速率在所述电池分接点(7，8+，8_)的不同组合之间转换。
[0039]14.如上述13所述的电池系统(10)，其中，该调节或控制单元(12)被配置成用于指令该切换单元(3)以小于I赫兹(Hz)的转换速率在电池分接点(7，8+，8-)的不同组合之间转换。
[0040 ] 15.如以上1-14之一所述的电池系统(I O )，该电池系统具有影响电流流动和/或所提供的电压的另外多个电气和/或电子元件和/或子组件(13，16，19，20，22，23)。
[0041 ] 16.—种用于控制至少一对输出端子(4，5，5-1，5-2)与多个电池分接点(7，8+，8_)的至少一个组对之间的连接的电池控制件(30)，该电池控制件具有带有至少一个调节器
(25)的至少一个调节或控制单元(12)，并且该电池控制件通过对多个电池分接点(7，8+，8_)的这些组对的电压的加权线性组合来对由该至少一对输出端子(4，5,5-1,5-2)所要提供的电压加以近似，该电池控制件(30)在多个电池分接点的这些组对之间随着时间动态地改变;并且该电池控制件控制多个切换元件(6)处在使该至少一对输出端子(4，5，5-1，5-2)与这些电池分接点(7，8+，8-)相连的位置中的临时驻留时长(36)。
[0042]17.如上述16所述的电池控制件(30)，该电池控制件将处于多个电池分接点(7、8+、8_)的、在一对输出端子(4，5)与相关联的多对电池分接点(7，8+，8_)之间相对应的切换组对组合中的一部分临时驻留时长(36)用作加权因子(miJ)。
[0043]18.如上述16或17所述的电池控制件(30)，其中如果存在欠定的线性组合，则该电池控制件优化另外一个次要条件并且实现至少一个另外的调节目标。
[0044]在本发明的范围之内，术语“电池系统”应理解为是指以下电路:该电路具有至少一个电池并且具有对该电路的调节和/或控制。
[0045]术语“电池”应理解为是指任何形式的电能储存器、电能来源、可再充电电池、原电池或原电池元件以及互连(串联和/或并联)器件、耦合件和/或其组合。
[0046]术语“电池元件”应理解为是指经由适当的电路互连而形成电池的相同或不同的子单元、电池单元或电池部分。在其间提供电压的成对的电池分接点同样应理解为是指电池元件。
[0047]本发明提供了一种电池系统，该电池系统允许用至少一个电池向多个负载消耗装置提供多个相应的电压水平。为此目的，该至少一个电池具有多个电池元件。还提供了一个调节或控制单元以及带有至少一个切换元件的一个切换单元。该调节或控制单元被配置成用于指令该切换单元随着时间动态地切换该至少一个切换元件，从而使得该多个电池元件的至少一个相应地动态变化的子集中的多个电池元件实现连接，并且由此向该多个负载消耗装置提供所要提供的对应电压水平。
[0048]在此情况下，一个子集是由一个或多个电池元件组成的群体。根据本发明，子集中的电池元件以在该至少一个切换元件的相应切换位置来彼此相连接。可想到的是提供多个子集，每个子集中限定了多个电池元件，这些电池元件可以以该至少一个切换元件的相应切换位置来彼此相连接、并且进而使这些子集彼此相连接或者避免将多个单独的电池元件或子集与其他电池元件或子集相连。在此情况下，这些子集可以是相同的、可以重叠、或者可以彼此完全不同。
[0049]在根据本发明的电池系统的一个实施例中，这些对应的电池元件可以通过实现至少一个预先限定的调节目标而被有意地加载。
[0050]根据本发明，能够对该多个负载消耗装置中的每一个提供不同的电压水平，该对应的负载消耗装置是针对该电压水平来设计和配置的。
[0051]在根据本发明的电池系统的一个实施例中，该电池和/或电池元件具有至少一个额外的电池分接点，该电池分接点安排在该电池和/或电池元件的正极与负极之间并且能与其他额外的电池分接点进行组合并且能用于提供部分电压，该部分电压与该电池和/或电池元件在该正极与该负极之间所能提供的总电压不同，该正极和该负极本身相应地形成了一个电池分接点。
[0052]在根据本发明的电池系统的另一个实施例中，该调节或控制单元被配置成用于指令该切换单元来切换这些切换元件并且由此以使得该多个电池元件已被有意地加载的方式在这些电池分接点之间来回切换。
[0053]在根据本发明的电池系统的又一个实施例中，该电池针对在该正极与该负极之间的一对输出端子具有至少一对额外的输出端子，该对额外的输出端子提供的电压至少间或地与该电池在该正极与该负极之间所能提供的总电压不同。
[0054]这些电池分接点和输出端子被设计成用于连接电源、电力汇、电储存器或电气线路。
[0055]在根据本发明的电池系统的另一个实施例中，至少一对输出端子具有至少一个切换元件，该至少一个切换元件交替地将该至少一对输出端子电连接至这些电池分接点的至少两个不同组合上、或者根据其切换方向来将所述对断开连接。
[0056]在根据本发明的电池系统的又一个实施例中，不同的至少两对输出端子可以经由该至少一个切换元件而连接至电池分接点的一个相关联的不相同的组对集合。
[0057]在另一个实施例中，根据本发明的电池系统被配置成用于向至少一对输出端子提供多个电压水平，该电池系统能够在该多个电压水平之间间或地改变。
[0058]在根据本发明的电池系统的两个不同的实施例中，电池分接点的至少两个不同的组对具有大致相同的电压或不具有相同的电压。
[0059]在根据本发明的电池系统的一个实施例中，该至少一个切换元件是半导体切换元件或整流或整流器元件。
[0060]在根据本发明的电池系统的另一个实施例中，该至少一对额外的输出端子所提供的电压小于在该正极与负极之间提供的电压。
[0061]在根据本发明的电池系统的又一个实施例中，每对输出端子所提供的电压都具有相同的极性。
[0062]在根据本发明的电池系统的另一个实施例中，这些电池分接点将该电池加以再划分，其方式为使得每个电池部分以同样的频度被不同的多对电池分接点包围。
[0063]在根据本发明的电池系统的另一个实施例中，该电池控制件调节或控制这些切换元件处于使该至少一对输出端子与这些电池分接点相连接的位置中的驻留时长。
[0064]在根据本发明的电池系统的进一步的实施例中，该电池控制件被配置成用于指令该切换单元以小于100赫兹(Hz)的转换速率或以小于IHz的转换速率在多个电池分接点的组合之间进行转换。
[0065]在根据本发明的电池系统的另一个实施例中，在至少一对输出端子处电滤波器产生均匀电压。
[0066]在根据本发明的电池系统的又一个实施例中，该电池系统检测在该至少一对输出端子处所预期和/或要求的电压，并且该电池控制件指令该切换单元相应地将这些开关设定成使得在该至少一对输出端子处呈现该所预期和/或要求的电压。
[0067]在根据本发明的电池系统的另一个实施例中，该至少一对输出端子与电池分接点的这些不同组对之间的这种成对连接是经由该至少一个切换元件而交替地存在的，也就是说，多对的输出端子被交替地连接至电池分接点的不同组对。
[0068]在根据本发明的电池系统的又一个实施例中，这些电池分接点的电势和这些输出端子的电势在彼此之间和/或相对于彼此是动态地稳定的。
[0069]在根据本发明的电池系统的另一个实施例中，该至少一对输出端子具有CLC滤波器，该滤波器带有至少一个电感和至少两个电容，该至少两个电容各自连接到该电感的一个电连接端上。
[0070]在根据本发明的电池系统的另一个实施例中，该至少一对输出端子具有LCL滤波器，该滤波器带有至少两个电感和至少一个电容，该至少两个电感各自连接到该电容的一个电连接端上。
[0071]在根据本发明的电池系统的另一个实施例中，至少一对输出端子和/或至少一个电池分接点具有至少一个电压传感器和/或至少一个电流传感器，来自这些传感器的信号被传输至该电池控制件。
[0072]在根据本发明的电池系统的另一个实施例中，该至少一个电流传感器被设计成用于检测流入和流出至少一个中央分接点的电量。
[0073]在根据本发明的电池系统的又一个实施例中，可以在两个不相同的电池分接点之间建立导电连接的至少一个电路回路具有被配置来中断该导电连接的至少一个电熔断器和/或电接触器。
[0074]在根据本发明的电池系统的另一个实施例中，至少一个电池分接点和/或至少一对输出端子具有被配置来中断来自该电池的电气线路的至少一个电熔断器和/或至少一个电接触器。
[0075]在根据本发明的电池系统的另一个实施例中，至少一个电池分接点和/或至少一对输出端子具有至少一个电感元件和/或至少一个电容元件。
[0076]在根据本发明的电池系统的又一个实施例中，至少一个电池分接点具有至少一个电感元件，该至少一个电感元件安置的方式使得，当至少一对输出端子交替地成对连接电池分接点的所有组对时，每个电流路径都经过这些电感元件之一。
[0077]在根据本发明的电池系统的另一个实施例中，该电池系统具有测量用多路复用器。
[0078]在根据本发明的电池系统的又一个实施例中，这些电池元件具有不同的物理和/或化学性质。例如，由其得到的电池化学、内阻、电化学反应速度、能量密度、功率密度、能量含量、发热行为、充电或放电截止电压、老化表现或特性可能不同。
[0079]本发明还包括一种用于控制至少一对输出端子与电池分接点的至少一个组对之间的连接的电池控制件。该电池控制件具有调节或控制单元，并且该电池控制件通过对多个电池分接点的这些组对的电压的加权线性组合来对由该至少一对输出端子所要提供的电压加以近似，该电池控制件在多个电池分接点的这些组对之间随着时间动态地改变;并且该电池控制件调节或控制这些切换元件处在使该至少一对输出端子与这些电池分接点相连的位置中的临时驻留时长。
[0080]在根据本发明的电池控制件的一个实施例中，该电池控制件使用总时间中的对应切换组合的临时驻留时长的一部分来作为加权因子。
[0081 ]在根据本发明的电池控制件的另一个实施例中，如果存在欠定的线性组合，则该电池控制件优化另外一个调节目标或次要条件，例如对该电池或电池元件的均匀充电或放电、对该电池或电池元件的有意不相等的放电或充电、均匀的或有意不均匀的老化、均匀的或有意不均匀的发热或温度分布、相同的或有意不相同的电压或者相同的或有意不均等的电量状态。
【附图说明】
[0082]从说明书和附图中将显现本发明的进一步的优点和构型。
[0083]不言自明的是，以上提及的这些特征以及以下将要解释的特征不仅可以按对应地指明的组合形式使用、也可以按其他组合形式或者单独地使用，而不脱离本发明范围。
[0084]图1示出了现有技术的电池，该电池除了正极和负极之外还具有中央分接点。
[0085]图2展示了根据本发明的电池系统的原理。
[0086]图3示出了根据本发明的、具有额外一对输出端子的电池系统的示例性实施例。
[0087]图4展示了根据本发明的电池系统的一个实施例中的典型电压条件。
[0088]图5和6各自示出了根据本发明的电池系统的一个实施例，其中至少一个开关的一部分对应地呈整流器元件的形式。
[0089]图7示出了根据本发明的电池系统的一个实施例的简图，该电池系统具有η个电池元件、电池分接点和电气开关。
[0090]图8示出了根据本发明的电池系统的一个实施例，其中这些电池分接点和这些输出端子二者的电势都在彼此之间且相对于彼此是动态地稳定化的。
[0091]图9示出了根据本发明的、在至少一对输出端子处具有CLC滤波器的电池系统的一个实施例。
[0092]图1Oa和图1Ob各自不出了根据本发明的、具有至少一个电流传感器和至少一个电压传感器的电池系统的一个实施例。
[0093]图11至14各自示出了根据本发明的、具有至少一个电熔断器和/或至少一个电接触器的电池系统的实施例。
[0094]图15示出了根据本发明的、使得能够对电池或这些电池元件进行均匀加载的电池系统的一个实施例。
[0095]图16和17示出了根据本发明的电池系统的一个实施例，其中在一对输出端子处可以呈现出多个电压水平。
[0096]图18和19各自示出了根据本发明的、在至少一个电池分接点处具有至少一个电感元件的电池系统的实施例。
[0097]图20示出了根据本发明的、在至少一对输出端子处具有至少一个电感元件的电池系统的一个实施例。
[0098]图21示出了根据本发明的、在至少一个电池分接点处具有至少一个电感元件和至少一个电熔断器和/或电接触器的电池系统的一个实施例。
[0099]图22示出了根据本发明的电池系统的一个实施例，其中至少两对输出端子可以各自具有根据至少一个电气开关的相应位置而间或不同的多个DC电压。
[0100]图23示出了对根据本发明的电池系统的一个实施例的至少一个电池分接点的调
-K-
T O
[0101]图24示出了对根据本发明的电池系统的一个实施例的电池分接点的进一步调节。
[0102]图25示出了根据本发明的电池系统的一个实施例，其中至少一个电流传感器检测至少一个电池分接点的流入和流出电流并且使用其来调节或控制该切换单元中的这些单独的开关。
【具体实施方式】
[0103]参照图1展示了根据现有技术的电池。该电池具有第一电池元件101和第二电池元件102。该电池额外具有正极103和负极104。该电池还具有额外的电池分接点105。该额外的电池分接点105(在此为所谓的中央分接点)是安排在该第一电池元件101与第二电池元件102之间的。通过该额外的电池分接点105，该电池适合用于提供多个电压。一个负载106连接至该电池上。然而，所连接的负载106以不均匀的方式对该电池加载，也就是说该电池将以不均匀的方式充电或放电。
[0104]本发明的原理应参照图2进行解释。图2示出了具有电池9的根据本发明的电池系统10，该电池具有第一电池元件I和第二电池元件2，在其间可以在一对输出端子4处提供电压。该电池9具有正极8+和负极8_。这对输出端子4是由输出端子4a和4b形成的。所示的电池系统10还具有切换单元3。该切换单元3被配置成用于在第一电池元件I与第二电池元件2之间动态地交替地来回切换并且用于将电池元件1、2连接到一对额外的输出端子5上。如随后也将解释的，可想到的是，根据本发明的电池系统10具有多于额外一对的由输出端子5a和5b组成的输出端子5。该至少一对额外的输出端子5形成了其自身的电压水平。该至少一对额外的输出端子5所能提供的电压可以至少间或地不同于这对输出端子4在正极8+与负极8-之间所能提供的电压。电负载或负载消耗装置可以连接到多对的输出端子4、5上。可以连接的这些负载也可以直接是车辆的高电压和/或低电压电气系统、缓冲电池等等。缓冲电池具有的操作电压对应于在这一对额外的输出端子5之间的电压的时间平均值。切换单元3被配置成用于将第一电池元件I或第二电池元件2以导电的方式动态地交替连接到这一对额外的输出端子5上。为此目的，切换单元3具有至少一个切换元件6，如图3所示。
[0105]在图3所示的电池系统10中，切换单元3具有四个切换元件6，这些切换元件各自是半导体元件，在此为绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)。然而，可想到的是，也可以使用另一种半导体元件，例如场效应晶体管、双极型晶体管、晶闸管、闸路控制或类似的电子开关。继电器同样是可想到的。此外，这两个切换元件6中的一个可以另外还对应地是整流开关，例如二极管、肖特基整流器或另一个整流元件。
[0106]在本公开文本的范围内，术语“电气开关”或“切换元件”也应理解为是指电子切换元件。
[0107]电池9额外具有为中央分接点7的形式的一个额外的电池分接点。该至少一对额外的输出端子5可以经由切换单元3中的这些切换元件6以导电的方式动态地交替连接到电池分接点7、8+、8_的至少两个不同的组合上。这意味着，所述至少一对电输出端子4、5各自的这两个输出端子4a、4b、5a、5b中的至少一个可以经由该至少一个电气开关6以导电的方式与电池电气分接点7、8+、8-断开电连接并且可以与另一个电池分接点7、8+、8-进行连接。可想到的是，多对的输出端子4、5各自的两个端子4a、4b、5a、5b可以以导电的方式与电池分接点7、8+、8_的一种(成对的)组合断开电连接并且可以与电池分接点7、8+、8_的另一种组合进行连接。在此情况下，电池分接点的每种组合本身就形成了本发明意义上的一个子集。还可想到的是，每个端子4a、4b、5a、5b具有两个电气开关6，也就是针对每对输出端子4、5有四个电气开关6。
[0108]通过该至少两对输出端子4、5和该至少三个电池分接点7、8+、8_，电池系统10被配置成的方式为使得没有输出端子4a、4b、5a、5b是直接电连接到这些电池分接点7、8+、8_之一上的。这对输出端子5在此具有一个可选的电容器作为电容13。
[0? O9 ] 如果电池9有电量，则在每对输出端子4、5处提供的电压小于在电池9的正极8+与负极8-之间的电压，在此情况下所提供的这些电压具有相同的极性。
[0110]由于这些电池电气分接点7、8+、8_在电池9上的这种安排，电池9可以被再分成使得其方式为电池分接点7、8+、8_的这些组对中不同的组对以同等频度来环绕电池9的每个部分。可以用来自调节或控制单元12的控制信号11将这些开关6设定成使其方式为针对具体的多对输出端子4、5电连接电池分接点7、8+、8-的多种组对上。
[0111]根据本发明，该调节或控制单元12指示该切换单元3来借助于多个电气开关6来使得一对输出端子4、5在具有大致相同电压的电池分接点7、8+、8_的至少两种不同组对之间来回切换。
[0112]例如在最简单的情况下，电池系统10的电池9在概念上被分为η个相同的部分(其旨在仅具有该电池电压的I/η作为输出电压)，并且各个两部分之间的分界处都产生了一个电池电气分接点7，从而两个相邻的电池分接点7对应地形成了电池分接点7、8+、8_的一种组对，并且每个电池分接点(边界的电池分接点8+、8-除外)都被电池分接点的两种组对所包括在内。根据本发明，电池9的每个部分可以形成一个子集，其结果是产生了η个子集。替代地，电池9的多个相连的部分形成一个子集。替代地，电池9也可以在概念上被分成例如相同大小的、在分界处具有相应的电池分接点7的2η个部分，在此情况下一种组对就对应地包括每隔一个电池的分接点7，并且因此一个电池分接点7与其紧邻的电池分接点的相邻电池分接点形成一个组对。如果电池分接点7的一种组对包括电池9的多个部分、或者包括多个电池元件，则这多个部分或电池元件形成一个子集。在所有这些情况下，还可以通过适当地针对处于与电池分接点7、8+、8_的这些组对的多种具体电连接组合中的临时驻留时长加以选择来使得电池9的任何所希望的部分被输出端子4、5的一种单独的组对均匀地加载或可以使其满足其他条件。
[0113]具体映射到这种最简单的情况上，例如由于可以提供800V电压并且由偶数个电池元件1、2组成的电池9具有安排在这两个电池元件1、2之间的中央分接点7，就从电池9上产生了400V的第二电压。电池9因此具有至少三个电池分接点7、8+、8-:在电池9的电性最正的点处的电池正分接点8+、在该电池的电性最负的点处的电池负分接点8_、以及具有电池9的大致一半电压的中央分接点7 ο虽然所有800V的系统都继续使用这对输出端子4来从电池正分接点和电池负分接点8+、8-供电，但中央分接点7与电池负分接点8-的组合以及电池正分接点8+与中央分接点7的组合对应地提供了大致一半的电压。虽然现在原则上可以由这两个组合中的每一个来使400V的负载运行，但这样的过程会导致电池9的这两个部分被以不均匀的方式加载。此外，在这两种组合之间通过硬线连接来分配多个负载进行均等化(例如在生产过程中已经进行)并不是所推荐的，因为这减小了但并不能排除不均匀加载的风险。根据本发明，可以替代地通过使用多个电气开关6来使得400V的负载在图3所示的电池9的电池分接点7、8+、8_的这两个替代性组合之间来回地切换。通过选择切换到每个组合的平均时长，就可以在这两个替代性的组合之间例如基于已经流过的电量而均匀地分配负载。除了均匀放电/充电之外，也可以用有意不相等的放电/充电、均匀的或有意不均匀的老化、均匀的或有意不均匀的发热或温度分布、相同的或有意不相等的电压、或者相同的或有意不相等的电量状态来作为调节或控制单元12的调节或控制目标。通过一对具体输出端子4、5可以在其间来回切换的、足够大量的替代性电池分接点7、8+、8_组对可以来同时使用这些调节或控制目标中的多种目标。
[0114]如果电池分接点7、8+、8-的这些不同组对的电压不同，就使用电池分接点7、8+、8-组对的多种不同组合之间的转换以借助于电路处于这些单独的组合的适当驻留时长来针对一对输出端子4、5的电压水平产生时间平均电压。为此目的，电池9可以具有电池分接点
7、8+、8_的多个组对组合，其结果是，以电路处于这些单独组合的恰当驻留时长来至少间或地使能多于一个解决方案来产生具有相应的电压水平的预先限定电压、并且因此这是欠定的。这种欠定性质是通过引入至少一个另外的调节目标或至少一个另外的边界条件来去除或减小的。调节目标或边界条件可以是均匀的放电或充电、均匀的老化、均匀的劣化、均匀的电量状态或均匀的温度。一个实例可能是由四个电池元件(例如将电池元件I和2各自分成两个半部并且可以具有额外的电池分接点(中央分接点7))组成的电池9，这使得能够通过使用电池分接点7、8+、8-的多个组对组合来提供例如四分之一或一半的总电池电压。
[0115]在电池分接点7、8+、8_的这些组对之间来回切换的操作优选以低的频率进行而使得直接由于这种来回切换操作而产生的热量形式的额外能量损失小于在该电池系统中没有来回切换操作的情况下可能产生的热量形式的能量损失的百分之十。
[0116]在电池分接点7、8+、8_的这些组对之间来回切换的这种操作优选是以小于100赫兹的频率进行的。小于I赫兹的频率是特别优选的。
[0117]图4展示了在电池系统10的运行过程中所满足的电压条件。图4实质上重构了图3的电路。在输出端子4a与5a、5a与5b、5b与4b之间对应地呈现正电压。同样跨晶体管6到中央分接点7并且跨晶体管6到电路的负极8-呈现正电压。相应地，各对输出端子4、5所提供的电压具有相同的极性。
[0118]图5和6各自展示了根据本发明的电池系统10的一个实施例。然而，切换单元3并非具有四个IGBT 6、而是在各自情况下仅具有两个。这些IGBT 6中的两个已经各自被整流器元件14(例如二极管或肖特基二极管)替代。同样在该电路中实施了一个可选的电容13。
[0119]图7示出了根据本发明的电池系统10的、针对不限数量的η个电池元件1、2、……、η的示例性电路。在这个实施例中，电池9具有多个额外的电池分接点7以及多个电气切换元件6-1、6-2、......、6_n。这些电气切换兀件6-1、6-2、......、6_n在各自的情况下将至少一对输出端子4a、4b连接到电池分接点7的一个组对上。电压15对应于这些电池元件1、2、……、η的电压，这些电池元件各自可以是单独的电池单元或更大的单元。电池9的最大电压可在正极8+与负极8-之间获得。
[0120]图8a和9a各自示出了根据本发明的电池系统10的一个实施例，其中这些电池分接点7、8+、8_和这些输出端子5a、5b的电势都是在彼此之间且相对于彼此动态稳定化的。为此目的，使用了至少一个稳定器16，该至少一个稳定器通过其至少两个连接端对应地电连接到一个电池分接点7、8+、8-和/或一个输出端子5a、5b上并且是与相应切换元件6并联安排的。以此方式，这些电池分接点7、8+、8_和/或这些输出端子5a、5b是相对于彼此由这些稳定器16来稳定化的，这些稳定器相对于它们的电势而言具有非常小的或最小化的间距。这些稳定器16还防止在该电路与转换相关联的、希望的或不想要的电感19中的快速电流路径改变(图9a)导致感应电压尖峰，这例如导致在输出端子4a、4b、5a、5b和电池分接点7、8+、8_处不期望的电压干扰和/或对部件和绝缘体的高电压加载。调节或控制单元12传送控制信号11到这些电气切换元件6并且从安排在输出端子5a与5b之间的电压测量装置17接收传感器信号18。
[0121 ]在图9a中，这些电气或电子切换元件6是晶体管的形式。此外，至少一对输出端子5具有所谓的CLC(电容器-电感器-电容器)滤波器，该滤波器具有至少一个电感19和至少两个各自连接所述电感19的电连接端的电容13。稳定网络中的一个或多个电容可以防止电流(该电流是尽管先前断开开关却由于驱动电流的电感现象而未被抑制的)仅导致电压的缓慢升高。此外，电阻器也可以与该电容13串联连接。该滤波器也可以是例如具有两个电感19和一个电容13的LCL(电感器-电容器-电感器)滤波器。
[0122]图8b和9b基本上示出了来自图8a和9a的电池系统10，但二极管20属于稳定器网络16。在图Sb中，这些电气切换元件6已经被晶体管替代。例如，根据本发明的动态稳定网络可能能够对过电压进行放电。这可以是通过使用至少一个切换元件20来完成的，该切换元件的电导率在具有某个最小电压的电压脉冲事件中短期内大大升高，还例如浪涌二极管、瞬时电压抑制器或齐纳二极管。
[0123]图1Oa和1b示出了根据本发明的电池系统10的进一步的实施例并且用电流传感器21实质性地扩展了图8a至9b所示的图。在扩展或补充了图9b的图1Oa中，该电流传感器21是在输出端子5a处安排在电感19上游。电流传感器21的传感器信号18被传输至该调节或控制单元12。在图1Ob中，电流传感器21安排在中央分接点7处并且检测流入和流出的电量。原则上在根据本发明的电池系统10的任一实施例中都可以安装电流传感器21。为了均等化每个电池元件1、2的电流负载，可以使用电流传感器21的零位置并且这可以用作调节的目标。
[0124]图11至14示出了具有多个电熔断器22和多个电接触器23的根据本发明的电池系统10。
[0125]图11中的电路具有两个电熔断器22和两个电接触器23。在所示电路中，具有这些电熔断器22和电接触器23的这种电回路可以通过激活或破坏(例如通过断开)特定的电气开关6来在两个不相同的电池分接点7、8+、8_之间建立导电的连接、具体地所谓的短路。这些电熔断器22和电接触器23被配置成用于中断这种导电连接。
[0126]图12中所示的电路在每个电池分接点7、8+、8_处具有一个电熔断器22和一个电接触器23。这些电熔断器22和电接触器23可以将连接到电池分接点7、8+、8-上的半导体开关6与电池9断开电连接。
[0127]图13中所示的电路示出了根据本发明的电池系统10的可以使用最少的电熔断器22和/或电接触器23来断开两个不同的电池分接点7、8+、8_之间的导电连接(具体地也称为短路)的电路。
[0128]图14所示的根据本发明的电池系统10的电路中，除了电池分接点7、8+、8_之外，每个输出端子4a、4b、5a、5b也具有一个电恪断器22和一个电接触器23。
[0129]参照图16和17展示了根据本发明的电池系统10的另外一个方面。根据本发明，通过这些电气开关6的相应置位可以在一对输出端子5a、5b处间或地提供多于一个电压15。在图16中，通过对输出端子5a、5b之间的这些电气开关6进行置位提供了与在电池9的正极8+与负极8-之间的电压相对应的电压15。图17示出了可以如何通过对输出端子5a、5b之间的这些电气开关6进行置位来提供与电池9的电池元件1、2的电压相对应的电压15。为此目的，可以以一个开关位置(图17的左侧)来在这对输出端子5处提供电池的正极8+与电池分接点7之间的电池元件I的电压。如果电路切换至另一个开关位置(图17的右侧)，则在输出端子5a、5b处的电压15对应于该电池的电池分接点7与负极8-之间的第二电池元件2的电压。相应地，在这对输出端子4处可以提供多于一个电压15。通过恰当地来回切换这些电气开关6就实现了电池9的均匀加载和/或上述这些调节目标中的其他目标。
[0130]为此目的，根据本发明的电池系统10被配置成检测多对输出端子4、5处需要或预期的电压并且使用该调节或控制单元12来将这些电气开关6设定成使得在这些对的输出端子4、5处提供相应的电压。已经提到，可以将另外的车辆电气系统或其他单元、例如电气负载、电能储存器和/或电气充电器连接到多对输出端子4、5上。为了检测在这些对输出端子4、5处所需要或预期的电压，根据本发明的电池系统10具有多个电压传感器17，如图8a、8b、9a、9b、10a和1b所示。因此电压是在一对输出端子5处测量的。在这个测量的过程中，也可以停用所有电气开关6，以便使施加到相应的这对输出端子5上的电压15不失真、并且避免通过使用该至少一个电气开关6而与电池9的多个部分进行成对连接而改变该电压。
[0131]替代地，针对此检测，以从所提到的这些连接的单元中的至少一个传输至少一个电子信号18给根据本发明的电池系统10的该至少一个调节或控制单元12，该信号给该调节或控制单元12提供了对正确电压15的指示，从而使得该调节或控制单元12可以指令切换单元3相应地激活或切换这些电气开关6。
[0132]例如，根据本发明的这个方面，可以使用同一电池9来用远低于总电池电压且动态地交替连接到不同电池元件1、2、……、n上的充电电压、以及用与总电池电压相同且因此应连接到电池9的正极和负极8+、8-上的电压来执行DC电压快速充电。
[0133]为了产生在时间上更加均匀的电流流动，图18至21中所示的电路具有电感元件或电感19。
[0134]在图18中，在电池分接点7处安排了电感19。图18中的电路另外在一对输出端子5处具有一个可选的电容13并且具有多个稳定器16。
[0135]在图19中，在电路中整合了两个电感19。一个电感19安排在正极8+处，而第二个电感19安排在电池9的负极8-处。
[0136]图20在一对输出端子5处具有电感19。
[0137]在图21中，根据本发明的电池系统10除了在电池分接点7中的电感元件19之外还具有在电池分接点8+、8_中的电熔断器22。该电熔断器22也可以用电接触器23来替代。替代地，也可以使用电熔断器22以及电接触器23或者它们的组合。
[0138]在所示这些实施例中，电感19在此情况下被安置的方式为使得至少一个电感元件19被对应地安置在至少一个电池分接点7、8+、8-中，以使得在改换至少一对输出端子4、5与所有这些对的电池分接点7、8+、8-的成对连接期间，每个电流路径都经过这些电感元件19
之一O
[0139]来自对应的这对输出端子4、5的电压处在第一近似值，该第一近似值在电池分接点7、8+、8_的这些组对所能提供的最小电压与最大电压之间，该调节或控制单元12在电池分接点的这些组对之间来回地切换对应的这对输出端子4、5。
[0140]根据本发明，该调节或控制单元12可以被设计成指令切换单元3使用这些开关元件6来在电池分接点7、8+、8_的至少两个不相同的组对之间随时间动态地来回切换这些对的输出端子4、5，在此情况下并非所有电池分接点7、8+、8-的这些组对或电池元件或子集都具有大致相同的提供电压。例如，电池分接点7、8+、8-的一个组对所提供的电压可能与电池分接点7、8+、8_的其他组对所提供的电压相差超过百分之二十，其中切换单元3在这些组对之间随时间动态地来回地切换输出端子4、5。例如，电池分接点7、8+、8-的一个组对所提供的电压还可能与电池分接点7、8+、8_的其他组对所提供的电压相差超过百分之四十，其中切换单元3在这些组对之间动态地来回地切换输出端子4、5。
[0141 ]该调节或控制单元12还被设计成调节或控制这些开关6处于使这些对的输出端子
4、5连接电池分接点7、8+、8-的这些组对的对应位置的临时驻留时长。其结果是，一对输出端子4、5的电压可以是通过对这对输出端子4、5与电池分接点7、8+、8-的这些组对之一之间的电连接临时驻留时长加以恰当选择来设定在时间平均值上的。
[0142]参照图15展示了这个方面。例如，电池分接点7、8+、8-的这些组对可以在电池9上以如下方式进行安排，即，使得并非每个电池元件1、2、24自身都是被一对输出端子5-1、5-2均匀地加载的、或者可以应用以上提及的这些条件之一。该电池系统10的电路具有三个电池元件1、2、24，这些电池元件可以经由多个电开关6电连接到这些对的输出端子5-1和5-2上。该电路额外具有输出端子4a和4b，这些输出端子相应地电连接到正极8+和负极8-上。这对输出端子5-1可以电连接到串联连接的电池元件I和2上(于是形成一个子集)或者电连接到电池元件24(于是本身就是子集)上或者电连接到串联连接的三个电池元件1、2、24(于是形成另外的子集)上。这对输出端子5-2可以电连接到串联连接的电池元件2和24上(于是形成一个子集)或者电连接到电池元件1(于是本身就是子集)上或者电连接到串联连接的三个电池元件1、2、24(于是形成一个子集)上。如果多个电池分接点7相互组合，则可以在这些单独的电池元件1、2、24之间通过将电量转移到例如一个中间模块来进行电量交换。这样的中间模块可以是电池元件2。例如，如果这对输出端子5-1电连接到电池元件24上并且这对输出端子5-2电连接到电池元件I上，则对应地在这两对输出端子5-1、5-2处提供了与电池9的正极8+和负极8-之间的总电压的三分之一相对应的电压15-1或15-2。然而，电池元件2未被加载，由此电池元件1、2、24是以不均匀的方式加载的。然而，通过相应地在以上提及的组合之间随时间动态地来回切换并且借助于处于相应位置的相应临时驻留时长，就实现了例如通过使用电池元件2来在电池元件1、2、24之间交换电量来从而均匀加载电池元件1、2、24的情形。应注意的是，每个电池元件可以与一个或多个子集相关联，并且这些子集在每个切换操作之后动态地改变并且包括多个不同的和/或相同的电池元件。
[0143]图22中的电路是图15中的电路的替代方案。同样在此情况下，电池9被再分为三个电池元件1、2、24。在此情况下，至少两对输出端子5-1、5-2可以各自借助于至少一个电气开关6的适当置位而具有间或不同的DC电压15-1、15-2。与图15相比较，现在可以借助于这些电气开关6的相应置位来在这对输出端子5-1处提供仅与第一电池元件I的电压相对应的、或仅与第二电池元件2的电压相对应的、或与串联连接的第一以及第二电池元件1、2的电压相对应的电压15-1。这对输出端子5-2处所提供的电压15-2情形类似并且可以相应地仅与第三电池元件24的电压相对应、或仅与第二电池元件2的电压相对应、或与串联连接的电池元件2、24的电压相对应。可以通过相应地在这些电池分接点7、8+、8_之间动态地来回切换来均匀地加载该电池和这些电池元件1、2、24。
[0144]例如，具有九个电串联电池元件的电池9可以被再分为两个不重叠的部分，每个部分具有四个电池元件(这些部分于是相应地形成一个子集)以便各自产生具有一半电池电压的一对输出端子。然而，在此实例中的有一个电池元件(也形成一个子集)并不包括在任何替代方案中，其结果是，即使通过对处于单独电路状态下的驻留时长加以刻意选择也无法对所有电池元件均匀地加载，并且在以下方程系统中对此电池单元存在奇点。
[0145]换言之，电池9的这些最小部分的集合(例如，串联电连接的所有单独电池元件1、2、24的集合)被认为是矢量空间的基础。因此，可以针对将特定的一对输出端子5-1、5-2以导电的方式成对连接到电池分接点7、8+、8_的一个特定组对上的这些电气开关6的每个开关位置，确定出例如将这对输出端子5-1、5-2的电压15-1、15-2描述为这些单独电池元件1、
2、24的电压的线性组合的一个矢量，因而确定这些基础矢量。如果将所有这样的、描述电池元件1、2、24相对于相应的输出端子5a-l、5b-l、5a-2、5b-2的连接的矢量一起考虑的集合，对于所有使用的受影响的这些对输出端子5-1、5-2与电池分接点7、8+、8-的多个组对的成对电连接而言是满秩的，则这个集合跨越了与这些单独电池元件1、2、24的上述基础相同的矢量空间。在此情况下，对应的均等化就有可能通过对这至少两对输出端子5-1、5-2相对于与它们相关联的(可以通过电气开关6来使得对应的这对输出端子5-1、5-2成对地与其电连接的)电池分接点7、8+、8-的多个组对的临时驻留时长进行控制和/或调节来实现。在此情况下，在这种均等化中涉及的单独这些对输出端子5-1、5-2的电功率不会长时间地在时间平均的意义上(也就是在电池9的放电周期的数量级上)显著不同。
[0146]在此方面，图23示出了对电池分接点7、8+、8_的调节30。为此目的，将一个状态变量32-1(例如与一个电池分接点7、8+、8_相关联的一个电池元件7、8+、8_的真实负载)与一个调节目标34-1(例如所有电池部分的平均负载)相互比较一次。调节器25(例如PID调节器)然后确定处在电池分接点的一个组对中的比例临时驻留时长
[0147]36-1。可以针对任意希望数量的电池分接点7、8+、8_中的多个电池分接点中的每一个来执行此动作。如果被指派给特定的一对输出端子4、5的电池分接点7、8+、8-的这些组对在电池9上分布的方式为使得由这些电池分接点7、8+、8-在概念上形成的这些电池元件
1、2、24并不重叠，则这样的均等化是通过多对输出端子4、5与所指派的电池分接点7、8+、8_的这些组对中每一组对的这种成对电连接的驻留时长来提供的，该驻留时长在时间平均的意义上是相同的。为了简化，这个序列可以是循环的(所谓的轮转)。替代地，例如还有可能使用具有在平均意义上相同的分布的随机序列。
[0148]如果由电池分接点7、8+、8_的这些组对形成的这些电池元件1、2、24并非是成对地断开联接的，则应考虑这些重叠的电池元件1、2、24的增大的负载。
[0149]图24示出了通过使用连接矩阵38以加权因子Hilj来对多个调节目标和/或多个具有对应调节目标的状态变量32-1加以处理的调节方法
[0150]30。这些状态变量(“负载”)32-1—般可以构成在本说明中提到的所有调节目标，例如电荷、电流、能量、温度等等。
[0151]如果将处于对应切换组合中的临时驻留时长占总时间的部分用作加权因子Hilj的话，对应的这对输出端子4、5的电压也可以用电池分接点7、8+、8-的这些组对(该调节或控制单元12在这些电池分接点之间随时间动态地来回切换这对输出端子4、5)的电压的加权线性组合来加以近似。
[0152]电气损失，例如电气开关6中的损失，总体上降低了真实电压。这种线性组合还提供了一个方程，对于给定的电压而言，该方程可以用来估算适合的加权因子IHlj并且因此估算出平均驻留时长36。
[0153]也可以借助于适当的电气滤波器来在这对输出端子处产生均匀的电压。在图8a、8b、9a、9b中，是使用安装在电路中的电感19和/或电容13来实施这样的滤波器的。
[0154]如果针对给定电压而言基于该线性组合的方程系统是欠定的，也就是说可以发现产生所希望电压的多个解决方案，就也可以使用处在多对输出端子4、5与电池分接点7、8+、8-的多个组对的多个具体切换组合中的平均临时驻留时长来优化至少一个次要条件。次要条件的实例是对由包围电池部分1、2、24、……、n的电池分接点7、8+、8-(图7和15)的这些组对所限定的这些电池部分进行均匀放电或充电、有意不相等的放电/充电、均匀的或有意不均匀的老化、均匀的或有意不均匀的发热或温度分布、相同的或有意不相等的电压、或相同的或有意不相等的电量状态。
[0155]图25示出了具有电流传感器21的根据本发明的电池系统10，该电流传感器检测电池分接点7(例如中央分接点)的流入和流出电流，并且用此来调节切换单元3中的这些独立的开关6。调节可以包括例如:至少一个PID调节器25，该调节器试图在时间平均值上将对应地测量的电流调节到零;至少一个鉴别器26，例如还有施密特触发器；以及至少一个栅极驱动器单元27。该调节器也可以替代地是PI调节器或P调节器。通过用对应地相关联的电压传感器17来测量不同电池元件1、2、24的电压，该调节或控制单元12就可以将电池元件1、2、24之间的电压差均等化或者可以通过选择在对应的多对输出端子4、5与电池分接点7、8+、8_的不同组合之间的连接转换时间来有意地将特定电池元件1、2、24调节到不同的预先限定的电压上。相应地，可以使用测量流入和流出电流的多个电流传感器21来针对相应的电池元件1、2、24确定电量平衡，并且可以通过选择相应的多对输出端子4、5与电池分接点7、8+、8-的不同组合之间的连接转换时间来有意地均等化或有意地建立起电量差。然而，也可以均等化电池元件1、2、24的其他状态变量，这需要进一步的传感器。例如，并未示出使得能够均衡电池元件1、2、24的温度差异的温度传感器。
[0156]如所提到的，根据本发明，多个电池分接点或每个电池分接点7、8+、8_都可以具有一个电压传感器17，但根据本发明，该至少一个切换元件6允许仅使用一个电压传感器17确定出所有电池元件1、2、24的电压，这是由于该至少一个电气开关6除了在电池分接点7、8+、8-的不同组对组合之间转换这些相应对的输出端子4、5之外还执行测量用多路复用器的功能、并且将电压传感器17交替地连接到电池分接点7、8+、8_的不同组对组合上。这同样适用于电流传感器21。
[0157]根据本发明的电池系统10以及根据本发明的调节或控制件30允许获得与常规DC-DC转换器相比而言小的电子器件(小的安装空间、小的体积、低的重量)、以及与通常具有非常有限的调节速度的常规DC-DC转换器相比而言高的负载动态特性。根据本发明的电池系统以及根据本发明的调节或控制还由于也能以冗余方式设计几个部分而具有高度可靠性。
[0158]本发明并不局限于机动车辆、而是涉及可以被分为电池元件或者可以以多个组合成较大单元的电池以及其他DC电压源和DC电压储存器的所有应用领域。
[0159]不限制一般性，本发明也可以与其他电子电路进行组合并且可以补充以进一步的电气切换元件。
[0160]所有确切的电压值仅用来展示概念和一些实施例而不限制本发明。
[0161]此外，所描述的实施例仅用于展示本发明。本发明不局限于这些实施方案。本发明的范围由随后的权利要求书限定。
【主权项】
1.一种用于向多个负载消耗装置提供相应的多个电压水平的电池系统(10)，该电池系统具有:至少一个具有多个电池元件(I，2，24，n)的电池(9);调节或控制单元(12);以及，带有至少一个切换元件(6)的切换单元(3)，该调节或控制单元(12)被配置成用于指令该切换单元(3)随着时间动态地切换该至少一个切换元件(6)，从而使得该多个电池元件(I，2，24，η)的至少一个相应地动态变化的子集中的多个电池元件(I，2，24，η)实现连接，并且由此向该多个负载消耗装置提供所要提供的对应电压水平。2.如权利要求1所述的电池系统(1)，其中对应的所述电池元件(I，2，24，η)能通过实现至少一个预先限定的调节目标来被有意地加载。3.如权利要求1或2所述的电池系统(10)，其中能够对该多个负载消耗装置中的每一个提供不同的电压水平，该对应的负载消耗装置是针对该电压水平来设计和配置的。4.如权利要求1或2所述的电池系统(1)，其中该电池(9)和/或该多个电池元件(I，2，24,η)具有至少一个额外的电池分接点(7)，该电池分接点安排在该电池(9)和/或对应的电池元件(I，2，24，η)的正极(8+)与负极(8-)之间并且能与其他额外的电池分接点(7)进行组合并且能用于提供部分电压，该部分电压与该电池(9)在该正极(8+)与该负极(8-)之间所能提供的总电压不同，该正极(8+)和该负极(8-)本身相应地形成了一个电池分接点，其结果是该电池(9)具有至少三个电池分接点(7，8+，8-)。5.如权利要求4所述的电池系统(10)，其中该调节或控制单元(12)被配置成用于指令该切换单元(3)来切换所述切换元件(6)并且由此使得该多个电池元件(I，2，24，η)以被有意地加载的方式在所述电池分接点(7，8+，8_)之间来回切换。6.如权利要求5所述的电池系统(1)，该电池系统针对在该电池(9)的该正极(8+)与该负极(8-)之间的至少一对输出端子(4)具有至少一对额外的输出端子(5)，这对额外的输出端子(5)提供的电压至少间或地与该电池(9)在该正极(8+)与该负极(8-)之间所能提供的总电压不同。7.如权利要求6所述的电池系统(IO )，其中至少一对输出端子(4，5，5-1，5-2)具有至少一个切换元件(6)，该至少一个切换元件交替地将该至少一对输出端子(4，5，5-1，5-2)电连接至所述电池分接点(7，8+，8_)的至少两个不同组合上、或者根据其切换方向来将所述对断开连接。8.如权利要求7所述的电池系统(10)，其中该调节或控制单元(12)被配置成用于指令该切换单元(3)以使得至少一对输出端子(4，5，5-1，5-2)以电连接至不相同的至少两对电池分接点(7，8+，8_)上、或者与之断开连接的方式来切换该至少一个切换元件(6)。9.如权利要求7或8所述的电池系统(10)，其中额外的不同的至少两对输出端子(5，5_1，5-2)经由该至少一个切换元件(6)而连接至电池分接点(7，8+，8_)的一个相关联的不相同的组对集合。10.如权利要求7或8所述的电池系统(10)，该电池系统被配置成用于向至少一对输出端子(4，5，5-1，5-2)提供多个电压水平，且该电池系统能够在该多个电压水平之间间或地改变。11.如权利要求1或2所述的电池系统(10)，其中该至少一个切换元件(6)是半导体切换元件或整流元件(14)。12.如权利要求4所述的电池系统(IO )，其中所述电池分接点(7，8+，8-)将该电池(9)加以再划分，其方式为使得每个电池元件(I，2，24，n)以同样的频度被不同的多对电池分接点(7，8+，8_)包围。13.如权利要求4所述的电池系统(10)，其中，该调节或控制单元(12)被配置成用于指令该切换单元(3)以小于100赫兹(Hz)的转换速率在所述电池分接点(7，8+，8-)的不同组合之间转换。14.如权利要求13所述的电池系统(10)，其中，该调节或控制单元(12)被配置成用于指令该切换单元(3)以小于I赫兹(Hz)的转换速率在电池分接点(7，8+，8-)的不同组合之间转换。15.如权利要求1或2所述的电池系统(10)，该电池系统具有影响电流流动和/或所提供的电压的另外多个电气和/或电子元件和/或子组件(13，16，19，20，22，23)。16.—种用于控制至少一对输出端子(4，5，5-1，5-2)与多个电池分接点(7，8+，8-)的至少一个组对之间的连接的电池控制件(30)，该电池控制件具有带有至少一个调节器(25)的至少一个调节或控制单元(12)，并且该电池控制件通过对多个电池分接点(7，8+，8_)的这些组对的电压的加权线性组合来对由该至少一对输出端子(4，5，5-1，5-2)所要提供的电压加以近似，该电池控制件(30)在多个电池分接点的这些组对之间随着时间动态地改变;并且该电池控制件控制多个切换元件(6)处在使该至少一对输出端子(4，5，5-1，5-2)与这些电池分接点(7，8+，8-)相连的位置中的临时驻留时长(36)。17.如权利要求16所述的电池控制件(30)，该电池控制件将处于多个电池分接点(7、8+、8_)的、在一对输出端子(4，5)与相关联的多对电池分接点(7，8+，8_)之间相对应的切换组对组合中的一部分临时驻留时长(36)用作加权因子(miJ)。18.如权利要求16或17所述的电池控制件(30)，其中如果存在欠定的线性组合，则该电池控制件优化另外一个次要条件并且实现至少一个另外的调节目标。
【文档编号】H01M10/44GK106099898SQ201610274710
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年4月28日 公开号201610274710.2, CN 106099898 A, CN 106099898A, CN 201610274710, CN-A-106099898, CN106099898 A, CN106099898A, CN201610274710, CN201610274710.2
【发明人】S·戈茨, R·鲍尔, H·施奥夫勒, J·米特纳赫特
【申请人】保时捷股份公司