专利名称：具有能量储存器和功率储存器的储能装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于为车辆的部分或完整的电力传动装置储存电能的储能装置， 带储能装置的车辆的传动装置以及用于操作储能装置的方法。
背景技术：
在减少污染物排放方面，无论是混合动力汽车或是纯电动汽车，用于车辆的电力传动装置成为了目前发展的关注重心。在这种情况下，电池储能发挥了重要作用。此刻，混合动力车或电动车内的电池分别适应车辆的状况，这需要耗费过高的开发支出。因此，开发灵活和安全的电池系统是明智的。现有的一些能量储存器可以提供大量能量。然而，就它们的功率而言则有限。另一方面，存在着一些具有很高功率的能量储存器，但就它们的能量容量而言则不足。引文WO 2008/121982A1公开了一种具有不同电芯的电池的模块化结构。由于电芯有电阻，在电流中出现损耗会导致电芯变暖。尤其是高能量电池产品，因为在峰值电流高温下它们的内部阻力相对较高。高功率电池不会变暖，因为它们的内阻较低，但对于有高能量要求的应用而言其能量太低。冷却电池的费用昂贵，而且需要大量安装空间和重量。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的缺点，提供一种用于车辆的传动装置的储能装置以及操作储能装置的方法。上述目的通过独立权利要求的主题达到。从属权利要求陈述了优选的实施方案和进一步改进的优点。根据本发明，用于为车辆的部分或完整的电力传动装置储存电能的储能装置具有能量储存器和功率储存器。能量储存器的内阻大于功率储存器的内阻，其中提供电流调整器，该电流调整器限制在能量储存器和功率储存器之间流动的电流。根据本发明的电流调整器的优点在于，通过限制电流可以将能量储存器的变暖保持在很低水平，而不必冷却能量储存器，或者对能量储存器进行至少不太复杂的冷却已足够，例如，用周围的空气冷却。 从功率储存器可以有利地获得必要的电流，尤其是电流峰值。因此，变暖受限于这些，而且无论如何都比能量储量高的储存器内的小。汽车应用中的驱动循环一般都设置在恒速阶段和加速(或制动)阶段中。维持恒速的功率要求相比加速度的要求小。但是，恒定驱动器的功率存在的时间一般比加速阶段的长。根据本发明的储能装置的优点在于放开了对电动汽车的限制。在这种车中的折衷办法为，选择具有高能量和较低最大功率(高工作距离，低加速度)的能量储存器或省略具有最大功率但能含量低(高加速度，低工作距离)的功率储存器。专家知道，在本发明意义上的功率储存器也是一种能量储存器。功率储存器的称谓只是用于术语区分。两种储存器类型的主要区别在于它们的内部阻力。关于本发明意义上的功率储存器，除了电池，还指专家熟知的其它电能储存器，特别是电容，又称作为超级电容(SuperCaps)。可以配合高功率的那些储存器具有小的内阻。能量储存器的能量越高，阻力就越大。内阻是形成能量储存器热发展的原因。阻力越小，则功耗越小，从而促成热发展。从能量储存器可以有利地获得恒速阶段的电流，可以从功率储存器得到加速阶段的电流。因为能量储存器是用规定的电流进行操作，其有利结果为可以省略冷却。取决于功率储存器的类型，这对于功率储存器也是可能的。能量储存器的冷却的开发支出很高，而且经常有额外的电力负荷。要做到不带电池冷却，可以有利地节省额外费用。按照本发明的一个优选实施方案，电流调整器通过控制器控制，使得电流保持在公差带内。电流调整器最好只允许电荷在较高电压的储存器与较低电压的储存器之间双向传输。双向电流调整器是电流控制的，即只通过线圈由电流控制。能量储存器和功率储存器的电压不能这样控制。这具有实质的优点，即，双向电流调整器可以不用微控制器，因而可以以廉价和简单的方式实现。按照本发明的另一个实施方案提供冷却器，其中冷却功率储存器，而不冷却能量储存器。此外，大体积的能量储存器需要的安装空间比功率储存器的大。能量储存器和功率储存器可容纳在一个共同的壳体内，或可在空间上分开布置。按照本发明的另一个优选实施方案，可以用模块化方式构造储能装置，其中可以增加或移除能量储存器和/或功率储存器。较佳地，按照本发明的能量储存器和/或功率储存器以及储能装置，为此具有用于能量传输、信息交换的接口，如果在故障的情况下需要冷却和/或过压输出。本发明的另一个目的涉及具有本发明的储能装置的车辆的传动装置，其中设置至少一个电机作为发动机和/或发电机。较佳地，电流从能量储存器经由电流调整器去到电机。此外，电流最好是从功率储存器直接去到电机。另外，在本发明的传动装置内，有利的是不必使用又重又昂贵的高电压DC/DC转换器。本发明的又一个目的涉及一种操作带有能量储存器和用功率储存器的储能装置的方法，其中，通过电流调整器限制在功率储存器和能量储存器之间流动的电流。较佳地是限制电流的流动，使得电流保持在公差带内，且不必冷却能量储存器。此外，最好冷却功率储存器。按照一个特别优选的实施方案，电流流动仅只是电流控制的，而非电压控制的，因此可以设计一种廉价的不带微控制器的电流调整器。接下来使用附图对本发明进行描述。正确地解释本发明的装置以及本发明的方法。这些解释只是示例性的，并非要限制总的发明构思。
图1为按照本发明的储能装置的第一个实施方案的示意图，图2为按照本发明的储能装置的电流调整器的电路图，图3和4为由图2的电流调整器控制的电压和电流强度特征的图表，图5为带有电流控制的图2的电流调整器的电路原理图，图6为按照本发明的储能装置的第二个实施方案，图7为车辆的传动装置的示意图。
具体实施方式
图1示意性地示出按照本发明的用于为车辆(图中未示)的部分或完整的电力传动装置储存电能的储能装置3。供给混合型或电动型车辆的电池中的电流由双向电流调整器4控制，其中，壳体10内布置了两种不同类型的电池或储存器，即，带有能量储存器2的一种电池以及带有功率储存器1的另一种电池。能量储存器1和功率储存器2可以容纳在同一个壳体内，其中，这两种电池之间的电流调整器4始终控制能量储存器1和功率储存器2之间的电流保持均衡。这样安排控制使得能量储存器1应确保车辆的持续驱动操作， 而能量储存器2主要用于加速和在制动过程中吸收高回收电流。在平滑的驱动过程中，功率储存器2优选由能量储存器1充电至一定程度，使得它们准备好用于吸收回收电流，以及用于输送电流以便车辆加速。最好取决于驱动的情况来控制功率储存器2的充电情况，例如，在高驱动速度过程中，功率储存器主要是放电，因为预期在较长的一段时间后才会有相当的回收电流，而在低驱动速度过程中，尤其是在停顿期间，则要求高加速能力，即要求最好是完全充电的功率储存器2。在图1中，只有能量储存器1和功率储存器2之间的由双向电流调整器4控制的电流用双头箭头6示出。流到传动装置(图中未示)以及来自该传动装置的电流将在下面作进一步描述。功率储存器2必须提供暂时的高额定功率，但不需要这样大的容量。因此，功率储存器2需要的安装空间比能量储存器1的要小。能量储存器1被设计成便于在低额定功率下持久驱动，并需要一个大的容量。这两种电池的冷却不相同。功率储存器需要冷却器5， 而适当设计的能量储存器1不需要冷却器，或需要较低程度的冷却，例如，利用环境空气的空气冷却。由于只有功率储存器2需要整个彻底地冷却，如箭头7所示，因此，冷却器5只要求小的空间。这两种电池可以结合在一个壳体内作为部分模块，并可以由电流调整器4 电气性分隔。双向电流调整器4限制在这两种电池之间流动的电流。其功能原则将在下面参照图2至4作出描述。图2示出双向电流调整器4的电路原理图。在能量储存器1的电压Ul大于功率储存器U2的电压的情况下，开关Sl关闭。二极管Dl布置在反方向中。线圈L的电压队为 Ul = U1-U20通过线圈增加的电流由其电感限制。UL = L*(di/dt)。Ul最好是恒定的。因此得出Δ I = 1/L*Ul* At= 1/L* (U1-U2) * Δ t。如果开关Sl打开，线圈L处的电压会变成队=-U20现在电流为负增长。穿越二极管Dl的线圈电流逐渐耗竭Δ I = 1/L*Ul* At= 1/1* * At。根据图2将轴线上用込或队标明的图表理想化，图3示出了穿过线圈L的额定电流和电压的特征。时间分别显示在以t标明的轴线上。对于每个时间间隔，指出了开关Sl 的开关位置。只要开关Sl关闭，电流会从较高电压的电压源流入负荷，独立于开关S2的位置。 如果电流到达上限Itl，开关Sl打开且电流下降。如果电流到达下限Iu，开关Sl再次关闭。 接着电流再次增加，因此，电流保持在公差带9内。如果这个理想化的电流控制应用于两种真正的电池，则电压Ul和U2会相互接近。 在图4中，穿过线圈L的额定电流和电压的这种特征示于图表中用込或队标明的轴线上。 时间分别显示在以t标明的轴线上。对于每个时间间隔，指出了开关Sl的开关位置。电压 U2大于电压Ul的情况与上面介绍的情况相似，即开关S2是关闭和打开，使得二极管D2布置在反方向上，换句话说，线圈的电流可以流通过二极管D2。开关Sl的位置并不重要。
图5以原理图示出具有电流控制的公差带控制器的电流调整器4。通过用电流表 14测量线圈L处的电流I，控制器13位于适当位置，以控制开关Sl和S2的开关位置，如有关图3和4的描述。对此，控制器13控制开关Sl和S2的两个驱动器15。通过这个电流控制的公差带控制器和“双”向下转换器的构形，可以实现能量和功率储存器相结合。另一个优点是，能量储存器1到电流调整器4的布线只需设计成用于低电流。因此节省了成本和重量。双向电流调整器4原则上可用于所有连接的能量储存器，便于预先定义彼此之间的电流交换。图6示意性示出一种储能装置3，其具有模块化结构。设置能量储存器1以及功率储存器2。结果可以组合这些部件，双向电流调整器4必须控制在功率储存器2和能量储存器1之间流动的电流。储能装置3的模块有大致相同的形式，并配置相同的接口(未显示)，由此能够灵活使用储能装置3。因为高的充电率和放电率，功率储存器2的模块配置有冷却器5。以这样一种低度的方式加载带有能量储存器1的模块，使得能量储存器1不需要冷却器。每个模块都配置有其自己的控制元件16，例如所谓的从属模块。这些从属模块 16例如用CAN总线18相互连接，并通过一个中央控制器17 (被称为电池主控制器)控制。模块化系统具有高度灵活性，同时又具有较高的安全性。不同的储存器系统可以相互组合。电压Pro模块一般不会超过60伏，而高电压连接器19最好是以物理上不可接触的方式装在储能装置3的壳体内。通过安全接口 20，所有的模块都连接到过压插座21上， 该过压插座可在错误发生时安全地排出多余的压力。储能装置3最好是防水和气密性的， 以防止形成冷凝，并允许在错误的情况下几乎不含任何隐燃火的氧气。图7示意性地示出按照本发明具有储能装置3的车辆的传动装置。功率储存器2 最好是连接到电机12的驱动变频器22上，以满足高功率要求，而无需为此经由昂贵和沉重的DC/DC转换器来传输整机功率。此外，可以控制电流调整器4，以致于只有限定量的电流从能量储存器1流入功率储存器2，因此，能量储存器本身的变暖情况保持在较低水平。作为另一个优点，可以将电流调整器4设计成这样，使得其包含尽可能少的半导体部件和电感，从而可显著降低成本。在同样小的额定功率下(流过电流调整器4)，部件成本小于现有技术的高功率DC/DC转换器是有利的。发动机/发电机11用于驱动车辆或在发电机运行时为储能装置10充电。可提供充电器M为能量储存器1充电，以及为功率储存器2充电。参考号清单1能量储存器2功率储存器3储能装置4电流调整器5冷却器6双头箭头7 箭头9公差带10 壳体11发动机/发电机12 电机
13控制系统14电流表15驱动器16控制元件，从属模块17中央控制元件，电池主控制器18控制电缆，CAN总线19高电压连接器20安全接口21过压插座22驱动变频器24充电器
权利要求
1.用于为车辆的部分或完整的电力传动装置储存电能的储能装置(3)，其中，所述装置具有能量储存器(1)和功率储存器O)，其中，所述能量储存器的内阻大于所述功率储存器的内阻，其中设置电流调整器，所述电流调整器限制在所述能量储存器和所述功率储存器之间流动的电流。
2.如权利要求1所述的储能装置，其特征在于，所述电流调整器(4)由控制器(13)控制，使得所述电流保持在公差带(9)内。
3.如前述权利要求的其中一项所述的储能装置，其特征在于，所述电流流动由所述电流调整器以依赖于电流强度的方式控制。
4.如前述权利要求的其中一项所述的储能装置，其特征在于冷却器(5)，其中冷却所述功率储存器O)，而不冷却所述能量储存器(1)。
5.如前述权利要求的其中一项所述的储能装置，其特征在于，所述能量储存器(1)比所述功率储存器O)占据较大的安装空间。
6.如前述权利要求的其中一项所述的储能装置，其特征在于，它们都以模块方式构成。
7.如前述权利要求的其中一项所述的储能装置，其特征在于，所述能量储存器(1)和所述功率储存器(2)被布置成在空间上隔开。
8.带有如前述权利要求其中一项所述的储能装置的车辆的传动装置，其中，提供至少一个电机(12)作为发动机(11)和/或发电机(11)。
9.如权利要求8所述的传动装置，其特征在于，电流从所述能量储存器(1)经由所述电流调整器⑷流到所述电机(12)。
10.如权利要求8或9所述的传动装置，其特征在于，电流从所述功率储存器(2)直接流到所述电机(12)。
11.用于操作具有能量储存器(1)和功率储存器( 的储能装置C3)的方法，其特征在于，通过电流调整器(4)限制在所述能量储存器(1)和所述功率储存器( 之间流动的电流。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述电流受到限制，使得所述电流保持在公差带(9)内，且所述能量储存器(1)不需要冷却。
13.如权利要求11或12所述的方法，其特征在于，冷却所述功率储存器(2)。
全文摘要
用于为车辆的部分或完整的电力传动装置储存电能的储能装置，其中，所述装置具有能量储存器和功率储存器，一种具有储能装置的车辆的传动装置以及用于操作储能装置的方法。
文档编号B60K6/28GK102484391SQ201080030288
公开日2012年5月30日 申请日期2010年5月19日 优先权日2009年6月30日
发明者D·斯库德里克, D·赛伯特, J·博科斯德特, M·罗斯科特 申请人:德国Fev有限公司