专利名称：用于调节直流中间电路电压的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于调节直流中间电路电压的方法以及被构造为实现所述方法的一种蓄电池和一种具有直流中间电路的蓄电池系统。
背景技术：
在未来不仅在固定的应用中而且在如混合动力和电动车辆的车辆中更多地使用蓄电池系统。为了可以满足对于相应的应用给出的对电压和可提供的功率的要求，将多个蓄电池单元串联连接。因为由这样的蓄电池提供的电流必须流过所有的蓄电池单元并且蓄电池单元仅可以导通有限的电流，所以经常附加地将蓄电池单元并联连接，以便提高最大电流。这可以或者通过在蓄电池单元壳体之内设置更多的单元包(Zellwickeln)或者通过外部连接蓄电池单元来实现。在图1中示出常见的电驱动系统的原理电路图，电驱动系统应用在诸如电动车辆和混合动力车辆中或者也应用在静态应用(例如风力发电装置的转动叶片调节)中。蓄电池110连接至直流中间电路，该直流中间电路由电容器111来缓冲保护。脉冲逆变器112连接至该直流电压中间电路，该脉冲逆变器经由两个可接通的半导体阀和两个二极管在三个输出端上分别提供相对彼此相移的正弦电压，以用于驱动电驱动电机113。构成直流中间电路的电容器111的电容必须足够大，以便使直流中间电路中的电压稳定一时间段，在该时间段中接通可接通的半导体阀中的一个。在一个实际应用如电动车辆中产生位于mF的范围内的高电容。图2在详细的方框电路图中示出了图1中的蓄电池110。多个蓄电池单元连接，并可选地附加地并联连接，以便达到对于各应用所期望的高输出电压和蓄电池电容量。在蓄电池单元的正极与正蓄电池端子114之间连接有充电和分隔装置116。可选地，可以附加地在蓄电池单元的负极与蓄电池负端子115之间连接分隔装置117。充电和分隔装置116以及分隔装置117各包括接触器118和119，其被设置以便用于将蓄电池单元与蓄电池端子分开，从而无电压地连接蓄电池端子。否则，由于串联的蓄电池单元的高直流电压对于维护人员或类似人员产生了巨大的潜在危险。在充电和分隔装置116中附加地设有充电接触器120和与充电接触器120串联连接的充电电阻121。如果蓄电池连接到直流电压中间电路，那么充电电阻121限制电容器111的放电电流。为此首先断开接触器118并且仅闭合充电接触器120。如果在蓄电池正端子114上的电压到达蓄电池单元的电压，那么闭合接触器119，并且必要时断开充电接触器120。在具有在若干个IOkW范围中的功率的应用中，充电接触器120和充电电阻121将表示巨大的额外费用，这仅仅是为了直流中间电路的持续几百毫秒的充电过程而所需要的。所提到的构件不仅仅是昂贵的，并且是庞大的而且是重的，这尤其对于在如电动机动车的移动应用中的使用是有妨碍的。
发明内容
因此，依据本发明提出了一种用于调节在具有蓄电池和驱动系统的蓄电池系统中的直流中间电路的电压的方法。所述蓄电池经由所述直流中间电路与所述驱动系统连接并且具有η个串联连接的蓄电池模块，其中η个串联连接的蓄电池模块中的每个包括耦合单元以及至少一个连接在所述耦合单元的第一输入端与第二输入端之间的蓄电池单元。所述蓄电池模块被构造为根据所述耦合单元的开关状态或者输出蓄电池模块电压或者输出零电压。数目η大于I。所述蓄电池被构造为输出η+1个不同的输出电压中的可选择的输出电压。所述方法至少具有以下步骤:a)确定所述直流中间电路的电压的实际值；b)将所述直流中间电路的电压的所述实际值与所述蓄电池的所述不同的输出电压进行比较；c)选择所述蓄电池的第一选择的输出电压，其是低于所述直流中间电路的电压的所述实际值的所述蓄电池的输出电压中的最高电压；d)选择所述蓄电池的第二选择的输出电压，其是高于所述直流中间电路的电压的所述实际值的所述蓄电池的输出电压中的最低电压；e)在第一可变的时间段期间输出所述蓄电池的所述第一选择的输出电压；f)在第二可变的时间段期间输出所述蓄电池的所述第二选择的输出电压；以及g)重复步骤a)至f)，直到所述直流中间电路的电压达到额定驱动电压。本发明的方法提供的优点在于快速和受控地将所述蓄电池的输出电压在所述第一选择的输出电压与所述第二选择的输出电压之间进行变换，由此在时间上平均地(imzeitlichen Mittel)为直流中间电路产生了可调节的充电电流。因为通过选择适合的第一和第二可变的时间段能够将充电电流调节并继而也限定在期望的值，所以能够省去现有技术的蓄电池系统中的充电接触器120和充电电阻121，由此能够相应地降低按照本发明的方法工作的蓄电池系统的成本、体积和重量。通过将蓄电池构造为通过激活或去激活单个串联连接的蓄电池模块来输出不同的输出电压，能够选择两个最接近电压的实际值的蓄电池的输出电压以用于调节直流中间电路的电压，随后在所述两个电压之间以适合的第一和第二可变的时间段进行变换，以便如期望的那样影响直流中间电路的电压。蓄电池的两个最接近的输出电压的选择降低了充电电流的波动性，该充电电流由于必然存在的电感性和电容性仅仅能够最小地以蓄电池的输出电压的变化的受限的速度。也能够相应地降低蓄电池模块的耦合单元的开关速度。此外，本发明的方法具有的优点在于，在一个更短的时间中对直流中间电路进行充电。在具有带有充电和分隔装置116的在图2中示出的蓄电池的蓄电池系统中以一个特性曲线对直流中间电路进行充电直至接触器118关闭，该特性曲线对应于具有负指数的指数函数。这意味着，在充电过程的开始流过最大的充电电流，然而其随着对直流中间电路充电的进行总是进一步下降，从而直流中间电路的电压渐进地接近蓄电池的输出电压的值。然而根据本发明的该方法直流中间电路的电压能够被线性地提高并且因此在整个充电时间间隔上以平均恒定的电流对直流中间电路的电容进行充电，该平均恒定的电流具有至少一个与具有充电电阻121的蓄电池系统中的开始的充电电流相似的大小。由此相应地更快地达到该第一额定驱动电压。优选地，所述额定驱动电压等于所述蓄电池的所述η+1个不同的输出电压中的最大者。在这种情况下执行所述方法直到直流中间电路达到最大可能的电压。随后能够将调节系统去激活，从而将直流中间电路的电压直接耦合到蓄电池的输出电压。优选地，确定直流中间电路的电压的实际值的步骤包含测量直流中间电路的电压的步骤。由此不仅能够实现控制方法而且实现调节方法，其中，根据目标测量变量的测量值，也就是直流中间电路的电压进行调节。备选地，能够通过状态变量计算直流中间电路的电压的实际值。特别优选地，根据额定驱动电压与直流中间电路的电压的实际值之间的差确定所述第一可变的时间段和所述第二可变的时间段。除了第一可变的时间段与第二可变的时间段的关系之外，在第二可变的时间段期间调节的(平均)电流也依赖于直流中间电路的电压的实际值与额定驱动电压(通常等于蓄电池的最大输出电压)之间的差。为了例如针对给定的蓄电池的第一和第二选择的输出电压对调节超过直流中间电路的充电过程的平均恒定的充电电流，将例如相比于第二可变的时间段缩短第一可变的时间段，所述差越小。备选地或附加地，自然也能够相比于第一可变的时间段延长第二可变的时间段。所述方法能够具有测量当前充电电流的附加的步骤。由此引入的调节方法也能够考虑当前流过的充电电流或者能够实现用于防止不允许的高的充电电流的安全机构。因此特别优选地，所述方法具有将所测量的当前的充电电流与最大的允许的充电电流进行比较的附加的步骤，其中，如果所述当前的充电电流的数值大于所述最大的允许的充电电流，那么结束步骤e)和/或f)。在两个最后提到的方案变型的延续中，所述方法能够具有确定平均充电电流并且将所述平均充电电流与额定充电电流进行比较的附加的步骤，其中，如果所述平均充电电流大于所述额定充电电流，那么延长所述第一可变的时间段和/或缩短所述第二可变的时间段，和/或其中如果所述平均充电电流小于所述额定充电电流，那么缩短所述第一可变的时间段和/或延长所述第二可变的时间段。特别优选地，恒定地调节额定充电电流，直至所述直流中间电路的电压达到所述额定驱动电压。通过这种方式将线性地提高直流中间电路的电压并且在尽可能短的时间中对直流中间电路进行充电，而不会超过最大允许的充电电流。本发明的第二方面提出了一种具有控制单元和η个串联连接的蓄电池模块的蓄电池。每个蓄电池模块包括耦合单元以及至少一个连接在所述耦合单元的第一输入端与第二输入端之间的蓄电池单元。所述蓄电池模块被构造为根据所述耦合单元的开关状态或者输出蓄电池模块电压或者输出零电压。串联连接的蓄电池模块的数量η大于1，从而所述蓄电池构造为输出η+1个不同的输出电压中的可选择的输出电压。依据本发明，所述控制单兀被构造为实施第一发明方面的方法。在此特别优选地，蓄电池模块的蓄电池单元是锂离子蓄电池单元。所述锂离子蓄电池单元具有在一个给定的体积中的高单元电压和高能量含量的优点。又一发明方面涉及一种蓄电池系统，其具有蓄电池、与所述蓄电池连接的直流中间电路以及与所述直流中间电路连接的驱动系统的。在此，根据本发明的上述方面构造所述蓄电池。特别优选地，直流中间电路在此直接与所述蓄电池连接，也就是说，在所述蓄电池与所述直流中间电路之间未设有另外的构件，特别是没有充电装置或充电接触器和充电电阻。然而在蓄电池系统的实施形式中也能够在蓄电池与直流中间电路之间连接有如电流传感器的另外的构件。直流中间电路能够具有电容器或由电容器组成。所述蓄电池系统能够例如实现在机动车中，其中，所述驱动系统包括用于驱动所述机动车的电驱动电机以及脉冲逆变器。
根据附图和随后的说明对本发明的实施例进一步阐明，其中，相同的附图标记表示相同或功能上类似的构件。其中:图1示出了根据现有技术的电驱动系统；图2示出了根据现有技术的蓄电池的方框电路图；图3示出了用于蓄电池中的耦合单元的第一实施形式，通过该蓄电池能够执行依据本发明的方法；图4示出了耦合单元的第一实施形式的可能的电路技术上的实现；图5和6示出了具有耦合单元的第一实施形式的蓄电池模块的两种实施形式；图7示出了用于蓄电池中的耦合单元的第二实施形式，通过该蓄电池能够执行依据本发明的方法；图8示出了耦合单元的第二实施形式的可能的电路技术上的实现；图9示出了具有耦合单元的第二实施形式的蓄电池模块的实施形式；图10示出了一种蓄电池，通过该蓄电池能够执行依据本发明的方法；以及图11示出了依据本发明的示例性的调节系统的方框图。
具体实施例方式图3示出了用于在蓄电池中使用的耦合单元30的第一实施形式，通过该蓄电池能够执行依据本发明的方法。耦合单元30具有两个输入端31和32以及输出端33并且被构造为将输入端31或32之一与输出端33连接并且将其中另一个解耦。图4示出了耦合单元30的第一实施形式的可能的电路技术上的实现，其中设有第一和第二开关35与36。每个开关连接在输入端31或32中之一与输出端33之间。该实施形式提供的优点在于，两个输入端31、32都能够与输出端33解耦，从而输出端33是高阻的，这例如在维修或维护的情况下能够是有用的。此外，能够将开关35、36简单地实现为半导体开关，如MOSFET或IGBT。半导体开关具有有利的价格和高开关速度的优点，从而耦合单元30能够在短时间内对控制信号或控制信号的变化进行反应。图5和图6示出了具有耦合单元30的第一实施例的蓄电池模块40的两种实施形式。多个蓄电池单元11串联连接在耦合单元30的输入端之间。然而本发明并不限于蓄电池单元11的这种串联连接，也能够仅设有单个蓄电池单元11或设有蓄电池单元11的并联连接或混合串并联连接。在图5A的例子中耦合单元30的输出端与第一端子41连接而蓄电池单元11的负极与第二端子42连接。然而，如在图5B中的几乎对称的设置也是可能的，其中蓄电池单元11的正极与第一端子41连接而耦合单元30的输出端与第二端子42连接。图7示出了用于蓄电池中的耦合单元50的第二实施形式，通过该蓄电池能够执行依据本发明的方法。耦合单元50具有两个输入端51和52以及两个输出端53和54。其被构造为，或者将第一输入端51与第一输出端53连接以及将第二输入端52与第二输出端54连接(并且将第一输出端53与第二输出端54解f禹),或者将第一输出端53与第二输出端54连接(并且在此将输入端51和52解耦)。此外，在耦合单元50的确定的实施形式中这还能够被构造为将两个输入端51、52与输出端53、54分隔并且也将第一输出端53与第二输出端54解稱。然而并不设定，将第一输入端51与第二输入端52连接。图8示出了耦合单元50的第二实施形式的可能的电路技术上的实现，其中，设有第一、第二和第三开关55、56和57。第一开关55连接在第一输入端51与第一输出端53之间，第二开关56连接在第二输入端52与第二输出端54之间并且第三开关57连接在第一输出端53与第二输出端54之间。该实施形式同样提供了以下优点，亦即开关55、56和57能够简单地实现为半导体开关，例如MOSFET或IGBT。半导体开关具有有利的价格和高开关速度的优点，从而耦合单元50可以在短时间内对控制信号或控制信号的变化进行反应。图9示出了具有耦合单元50的第二实施形式的蓄电池模块60的实施形式。多个蓄电池单元11串联连接在耦合单元50的输入端之间。蓄电池模块60的该实施形式并不限于蓄电池单元11的这样的串联连接，也可以仅设有一个蓄电池单元11或设有蓄电池单元11的并联连接或混合的串联并联连接。耦合单元50的第一输出端与第一端子61连接，而率禹合单兀40的第二输出端与第二端子62连接。相对于图5和6的蓄电池模块40,蓄电池模块60具有的优点在于，蓄电池单元11能够通过耦合单元50与剩余的蓄电池两侧地解耦，这实现了在连续的运行中无危险的更换，因为蓄电池单元11的电极上都不具有蓄电池的剩余的蓄电池模块的危险的高的总电压。图10示出了蓄电池的一种实施形式，通过该蓄电池能够执行依据本发明的方法。蓄电池具有带有多个蓄电池模块40或60的蓄电池模块组70，其中，优选地每个蓄电池模块40或60包含以相同方式连接的相同数目的蓄电池单元11。通常，蓄电池模块组70能够包含大于I的蓄电池模块40或60的数量。而且，如果安全条例需要这样，则在蓄电池模块组70的电极上附加地设有如在图2中的充电和分隔装置以及分隔装置。当然，这样的分隔装置依据本发明是不必要的，因为蓄电池单元11与蓄电池连接端的解耦能够通过包含在蓄电池模块40或60中的耦合单元30或50来实现。图11示出了依据本发明的示例性的调节系统的方框图。在一个上级调节回路中将直流中间电路的电压额定值与其实际值进行比较。如果直流中间电路被充满电，亦即提高直流中间电路的电压，那么阶跃式地将额定值设置为所有串联连接的蓄电池模块的总电压的值。自然也能够将额定值设置为任意的另外的电压值，当然在实际应用中习惯地将直流中间电路充电至蓄电池的输出电压的最大值。接着，上级的调节回路的双位调节装置(Zweipunktregler)命令将充电电流的额定值作为用于设置作为多位调节装置(Mehrpunktregler)的下级电流调节回路的额定值，以使得例如以最大允许的充电电流或以为了安全裕度位于最大允许的充电电流之下的充电电流对直流中间电路进行充电。接着，下级多位调节回路与作为多位控制元件工作的蓄电池一起通过输出相应的控制信号给蓄电池模块的耦合单元来调节充电电流的额定值。详细地，在输入侧在点80处设有用于直流中间电路的额定驱动电压，其通过减法元件与在点81处的直流中间电路的实际驱动电压进行比较并且在点82处产生电压差。该电压差在调节元件83中进行量化运算，调节元件83通过将在点82处的电压差转变为在点84处的额定充电电流(其只能够采用两个不同的值)来实现期望的双位调节。可选择地，调节元件83也能够执行滞后函数，这有利地降低了调节系统的开关频率。在随后的减法元件中，将在点84处的额定充电电流减去在点85处的实际充电电流。此外，在调节元件88中将直流中间电路的电压的实际值转变为蓄电池的最大的但小于直流中间电路的电压的实际值的输出电压，并且将由其导出的值加在该减法元件中，从而在点88处存在用于电流的调整变量，其在点90处的随后的调节元件89中转换成用于选择蓄电池的输出电压的离散的电流值。剩余的块塑造了直流中间电路的方法。在点81处的直流中间电路的电压经由具有比例系数Kk的比例元件92转换成在点91处的电流值，其在另一减法元件中由在点90处的离散的电流值减去并且因此在点85处提供了实际的电流值。实际的电流值也能够通过在一个适合的时间段上直接测量并且求平均而确定，并且在点85处将其提供到调节系统。调节元件93描述了电容的积分特性一如直流中间电路至少近似地表示的积分特性的那样一并且将流入到直流中间电路中的电流转变为直流中间电路的电压。在此也认为，在实践中通常不计算直流中间电路的实际的电压，而是通过测量对其进行确定。备选地，该调节系统也能够被构造为在开关状态下的具有滞后或具有最小滞留时间的多位调节，以便限制控制元件的开关频率。优选地，时间离散地也就是同步于例如IOOkHz的时钟地进行开关状态改变，这将导致50kHz的最大开关频率。本发明基于的构思在于，能够将具有用于调节蓄电池的输出电压的耦合单元的蓄电池直接用作用于直流中间电路的充电过程的多位控制元件。如果例如当前的充电电流小于充电电流的额定值，那么调节蓄电池的两个选择的输出电压中较大的一个。反之，如果当前充电电流大于其额定值，那么调节蓄电池的两个选择的输出电压中较小的一个。能够在没有特别附加的费用的情况下在蓄电池的控制的范围中以软件功能实现依据本发明的方法。对于将作为多位控制元件的蓄电池连接至调节环路，在此可采用具有相应的优点和缺点的不同的已知的多位方法。基本上这些方法在最大出现的开关频率方面和在充电电流在充电过程期间具有的交流分量的方面有所不同。图11中示出的调节回路仅仅是用于可能的多位方法的一个例子。本发明实现了在没有充电装置的情况下受控地调节直流中间电路的电压。由此能够省去在实际应用中按照标准设有的充电装置，由此节省了成本并且减小了整个装置的体积以及重量。
权利要求
1.一种用于调节在具有蓄电池和驱动系统的蓄电池系统中的直流中间电路的电压的方法，其中，所述蓄电池经由所述直流中间电路与所述驱动系统连接并且具有η个串联连接的蓄电池模块(40、60)，所述η个串联连接的蓄电池模块(40、60)中的每个包括耦合单元(30,50)以及至少一个连接在所述耦合单元(30、50)的第一输入端(31、51)与第二输入端(32,52)之间的蓄电池单元(11)并且被构造为根据所述耦合单元(30、50)的开关状态或者输出蓄电池模块电压或者输出零电压，其中η大于I,从而所述蓄电池被构造为输出η+1个不同的输出电压中的可选择的输出电压，所述方法至少具有以下步骤: a)确定所述直流中间电路的电压的实际值； b)将所述直流中间电路的电压的所述实际值与所述蓄电池的所述不同的输出电压进行比较； c)选择所述蓄电池的第一选择的输出电压，其是低于所述直流中间电路的电压的所述实际值的所述蓄电池的输出电压中的最高电压； d)选择所述蓄电池的第二选择的输出电压，其是高于所述直流中间电路的电压的所述实际值的所述蓄电池的输出电压中的最低电压； e)在第一可变的时间段期间输出所述蓄电池的所述第一选择的输出电压； f)在第二可变的时间段期间输出 所述蓄电池的所述第二选择的输出电压； g)重复步骤a)至f)，直到所述直流中间电路的电压达到额定驱动电压。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述额定驱动电压等于所述蓄电池的所述η+1个不同的输出电压中的最大者。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述确定所述直流中间电路的电压的实际值的步骤包含测量所述直流中间电路的所述电压的步骤。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，根据所述额定驱动电压与所述直流中间电路的所述电压的所述实际值之间的差来确定所述第一可变的时间段和所述第二可变的时间段。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其具有测量当前的充电电流的附加的步骤。
6.根据权利要求5所述的方法，其具有将所测量的当前的充电电流与最大的允许的充电电流进行比较的附加的步骤，其中，如果所述当前的充电电流的数值大于所述最大的允许的充电电流，那么结束步骤e)和/或f)。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其具有确定平均充电电流并且将所述平均充电电流与额定充电电流进行比较的附加的步骤，其中，如果所述平均充电电流大于所述额定充电电流，那么延长所述第一可变的时间段和/或缩短所述第二可变的时间段，和/或其中如果所述平均充电电流小于所述额定充电电流，那么缩短所述第一可变的时间段和/或延长所述第二可变的时间段。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，恒定地调节额定充电电流，直至所述直流中间电路的所述电压达到所述额定驱动电压。
9.一种具有控制单元和η个串联连接的蓄电池模块(40、60)的蓄电池，所述η个串联连接的蓄电池模块(40、60)中的每个包括耦合单元(30、50)以及至少一个连接在所述耦合单兀(30、50)的第一输入端(31、51)与第二输入端(32、52)之间的蓄电池单兀(11)并且被构造为根据所述耦合单元(30、50)的开关状态或者输出蓄电池模块电压或者输出零电压，其中，η大于I,从而所述蓄电池被构造为输出η+1个不同的输出电压中的可选择的输出电压，其特征在于，所述控制单元被构造为实施根据上述权利要求中任一项所述的方法。
10.一种蓄电池系统，其具有蓄电池、与所述蓄电池连接的直流中间电路以及与所述直流中间电路连接的驱动系统，其特征在于，根据上述权利要求构造所述蓄电池。
11.一种具有根据上述权利要求所述的蓄电池系统的机动车，其中，所述蓄电池系统的所述驱动系统包括用于驱动所述机动车 的电驱动电机以及脉冲逆变器。
全文摘要
本发明提出了一种用于调节在具有蓄电池(110)和驱动系统(113)的蓄电池系统中的直流中间电路(111)的电压的方法。其中所述蓄电池(110)被构造为输出n+1个不同的输出电压中的可选择的输出电压。在所述方法的第一步骤中确定直流中间电路(111)的电压的实际值并且接着与所述蓄电池(110)的不同的输出电压进行比较。随后选择所述蓄电池(110)的第一选择的输出电压，其是低于所述直流中间电路(111)的电压的实际值的所述蓄电池(110)的输出电压中的最高电压，并且选择所述蓄电池(110)的第二选择的输出电压，其是高于所述直流中间电路(111)的电压的实际值的所述蓄电池(110)的输出电压中的最低电压。随后在第一可变的时间段期间输出所述蓄电池(110)的所述第一选择的输出电压。在第二可变的时间段期间输出所述蓄电池(110)的所述第二选择的输出电压。所述方法重复直到所述直流中间电路(111)的电压达到额定驱动电压。
文档编号B60L11/18GK103155262SQ201180044945
公开日2013年6月12日 申请日期2011年8月10日 优先权日2010年9月20日
发明者H·芬克 申请人:罗伯特·博世有限公司, 三星Sdi株式会社