具有加热装置的能量存储装置和用于预热能量存储装置的能量单元的方法

具有加热装置的能量存储装置和用于预热能量存储装置的能量单元的方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于产生用于电机（2）的n相供给电压的能量存储装置（1），其中n≥1，所述能量存储装置具有n个并联连接的能量供给分支和加热装置（9），所述n个并联连接的能量供给分支分别能够与n个相线（2a，2b，2c）之一连接，其中所述能量供给分支中的每一个具有多个串联连接的能量存储模块（1a，1b），所述多个串联连接的能量存储模块分别包括：能量存储单元模块（5，7）和耦合装置（3），所述能量存储单元模块具有至少一个能量存储单元（5a，7a），所述耦合装置被设计用于，将所述能量存储单元模块（5，7）选择性地接入到相应的能量供给分支中或桥接，其中所述能量存储模块（1b）中的相应至少一个此外分别具有用于至少一个能量存储单元（7a）的加热元件（8）；所述加热装置与所述加热元件（8）连接并且被设计用于，操控所述加热元件（8）用于预热能量存储模块（1b）组的能量存储单元（7a）。
【专利说明】具有加热装置的能量存储装置和用于预热能量存储装置的能量单元的方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种用于尤其是在用于对电机进行电流供给的电池直接变换电路中的能量存储装置的加热装置，以及一种用于尤其是在起动电运行的车辆时预热(Anwjirmen)能量存储装置的能源单元的方法。
【背景技术】
[0002]呈现出的是，将来不仅在静止的应用——例如风力设备或太阳能设备情况下，以及在车辆——如混合车辆或电动车辆中，越来越多地使用将新的能量存储技术与电驱动技术组合的电子系统。
[0003]图1例如示出三相电流到三相电机101中的馈入。在此，通过以脉冲逆变器102的形式的变换器，将由直流电压中间电路103提供的直流电压变换成三相交流电压。通过由串联接线的电池模块105组成的支路104对直流电压中间电路103进行馈电。为了能够满足对于相应的应用给定的对功率和能量的要求，经常将牵引电池104中的多个电池模块105串联连接。这种能量存储系统例如经常用于电运行的车辆中。
[0004]多个电池模块的串联电路随之带来的问题是，当唯一的电池模块出故障时，整个支路出故障。能量供给支路的这种故障可能导致整个系统的故障。此外，单个电池模块的临时或永久出现的功率降低可能导致整个能量供给支路中的功率降低。
[0005]在出版物US 5，642，275 Al中描述了一种具有集成逆变器功能的电池系统。所述类型的系统以名称“Multilevel Cascaded Inverter:多电平级联变换器”或“BatteryDirect Inverter (电池直接变换器，BDI)”是已知的。这种系统包括多个能量存储模块支路中的直流电流源，所述多个能量存储模块支路可以直接连接到电机或电网上。在此，可以生成单相或多相供给电压。能量存储模块支路在此具有多个串联连接的能量存储模块，其中，每个能量存储模块具有至少一个电池单元和所分配的可控制的耦合单元，所述耦合单元允许根据控制信号中断相应的能量存储模块支路或桥接分别分配的至少一个电池单元或将分别分配的至少一个电池单元接入到相应的能量存储模块支路中。通过例如借助脉宽调制合适地操控耦合单元，也能够提供用于控制相输出电压的合适的相信号，从而可以放弃单独的脉冲逆变器。因此，用于控制相输出电压所需的脉冲逆变器可以说集成在BDI中。
[0006]相对于如在图1中所示那样的传统的系统，BDI通常具有更高的效率和更高的故障安全性。此外，通过以下方式确保故障安全性:有缺陷的、出故障的或不完全有效的电池单元能够通过合适地桥接操控耦合单元来从能量供给支路中断开。
[0007]在两个系统中 不仅在图1中所不的系统中，而且在BDI中，可能刚好在使用于电运行的车辆中的情况下发生:应在低环境温度下一例如在冬季运行电池单元。通常的电池一例如锂离子电池具有与温度相关的内阻。在低温度时内阻增大，从而也许不能够从电池中提取全功率。因此，在低环境温度的情况下，必须根据所使用的电池单元的组成来实现电池单元的预调节，也就是说，必须预热电池单元，以便能够提供对于行驶、尤其是启动所需的功率。逐渐加热过程在此是能量密集和时间密集的。

【发明内容】

[0008]根据一种实施方式，本发明实现一种用于产生用于电机的η相供给电压的能量存储装置，其中，n ^ 1，所述能量存储装置具有η个并联连接的能量供给分支和加热装置，所述能量供给分支分别可以与η个相线之一连接，其中所述能量供给分支中的每一个具有多个串联连接的能量存储模块，所述能量存储模块分别包括:能量存储单元模块和耦合装置，所述能量存储单元模块具有至少一个能量存储单元，所述耦合装置被设计用于，将所述能量存储单元模块选择性地接入到相应的能量供给分支中或者桥接，其中，能量供给分支的相应能量存储模块组此外分别具有用于至少一个能量存储单元的加热元件；所述加热装置与所述加热元件连接并且被设计用于，操控所述加热元件用于预热能量存储模块组的能量存储单兀。
[0009]根据另一个实施方式，本发明实现一种系统，所述系统具有根据本发明的能量存储装置、η相电机和控制装置，其中n ^ 1，所述η相电机的相线与能量存储装置的相端子连接，所述控制装置被设计用于，选择性地操控用于产生用于电机的供给电压的能量存储模块的耦合装置。
[0010]根据另一个实施方式，本发明实现一种用于预热根据本发明的能量存储装置的能量单元的方法，所述方法具有以下步骤:检测能量存储装置的能量单元的温度，以及借助加热装置根据所检测的温度操控能量存储模块组的加热元件，用于预热能量存储模块组的能
量单元。
[0011]本发明的思想是，降低用于加热用于预调节能量单元的能量存储装置的能量单元的能量需求和时间需求，其方式是，使用具有可单独接通的能量存储模块的能量存储装置，其中预加热可用的能量单元的仅仅一部分。为此所需的能量在此是用于加热整个能量存储装置所需的能量的仅仅一小部分。同样地，为了加热能量单元的所述部分，仅仅需要较小的时间间隔。预加热的能量单元然后可以以有利的方式通过能量存储装置用于初始的能量供应，例如在利用能量存储装置运行的电车辆的启动过程期间。
[0012]本发明的另一思想是，证明能量存储装置的能量单元的一部分为用于初始的能量供应的专用能量单元，例如在利用能量存储装置运行的电车辆的启动过程期间。能量单元的专用部分于是可以优选地具有电池单元，所述电池单元具有在低温下特别低的内阻，以便能够避免逐渐加热，或至少使在预热能量单元的所述部分时的能量需求和时间需求最小化。
[0013]本发明的其他特征和优点参考附图由随后的描述得出。
【专利附图】

【附图说明】
`[0014]图1示出用于三相电机的电压供给系统的示意图，
图2示出根据本发明的一种实施方式的具有能量存储装置和加热装置的系统的示意图，和图3示出根据本发明的另一实施方式的用于预热能量存储装置的能量单元的方法的示意图。【具体实施方式】
[0015]图2示出用于从通过能量存储模块la、lb提供的直流电压到η相交流电压的电压转换的系统20。系统20包括具有能量存储模块la、lb的能量存储装置1，所述能量存储模块在能量供给分支中串联连接。在图2中示例性地示出三个能量供给分支，所述能量供给分支适合用于产生例如用于三相交流电机2的三相交流电压。然而，原则上任何其他数目的相η同样是可能的。能量存储装置I在每个能量供给分支处具有相端子，所述相端子分别可连接到相线2a、2b、2c上并且例如为了运行例如电机而与相线2a、2b、2c连接。系统20在图2中示例性地用于对电机2、尤其是在电运行的车辆中的电机进行馈电。然而，也可以规定，能量存储装置I被用于产生用于能量供给网2的电流。
[0016]此外，系统20可以包括控制装置6，所述控制装置与能量存储装置I连接，并且可以借助其来控制能量存储装置1，以便在相应的相端子处为相线2a、2b、2c提供所期望的输出电压。
[0017]能量供给分支可以在其端部与参考电势4 (参考母线)连接，所述参考电势在所示的实施方式中关于电机2的相线2a、2b、2c引导平均电势。参考电势4可以是例如接地电势。所述能量供给分支中的每一个具有至少两个串联连接的能量存储模块la、lb。每能量供给分支的能量存储模块la、lb的数量在图2中是3，其中然而任何其他数量的能量存储模块la、lb同样是可能的。在此，所述能量供给分支中的每一个优选包括相同数量的能量存储模块la、lb，其中然而还可能的是，对于每个能量供给分支设置不同数量的能量存储模块IaUb0为清楚起见，所述能量存储模块中的仅仅两个用参考标记Ia或者Ib表明，其中然而其余能量存储模块可以以相应的方式表示。
[0018]能量存储模块la、lb分别包括具有多个未示出的耦合元件的耦合装置3。能量存储模块la、Ib此外分别包括具有至少一个能量存储单元5a或者7a的能量存储单元模块5或者7。在此还可以规定,所述能量存储单元5a或者7a中的多个在能量存储单元模块5或者7中串联连接。
[0019]能量存储单元模块5通过连接线路与所属耦合装置3的输入端子连接。耦合装置3例如可以被构造为具有四个耦合元件的全桥电路或构造为具有两个耦合元件的半桥电路。耦合元件在此分别可以具有半导体开关，诸如场效应晶体管(FET)。耦合元件例如可以被实施为例如以IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors:绝缘栅双极晶体管)、JFET(Junction Field-Effect Transistors:结型场效应晶体管)的形式的功率半导体开关,或被实施为 MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors:金属氧化物半导体场效应晶体管)。
[0020]例如借助控制装置6可以如此操控耦合装置3，使得能量存储单元模块5或者7选择性地被接在能量存储模块la、Ib的输出端子之间或使得能量存储单元模块5或者7被桥接。因此，通过合适地操控耦合装置3，可以将能量存储模块la、lb的各个能量存储单元模块5或者7有针对性地集成到能量供给分支的串联电路中。
[0021]能量存储单元模块5和7在此具有能量单元5a和7a，例如锂离子电池。这些锂离子电池可以是例如传统的锂离子电池，所述传统的锂离子电池在低运行温度的情况下比在高运行温度的情况下具有显著更高的内阻R1 (输出电阻)。例如，传统的锂离子电池的内阻&在-10° C的温度下是在25° C的温度下的约十倍。[0022]而在另一实施方式中，分别布置在所述能量供给分支中的每一个中的能量存储单元模块7组可以具有为特殊构造的功率单元的能量单元7a,所述功率单元在预先确定的温度阈值之下比传统的能量单元5a——例如比传统的锂离子电池具有显著更低的内阻R”
[0023]能量存储模块Ib通过以下方式区别于能量存储模块Ia:附加地，在具有特殊构造的功率单元的能量存储模块Ib中分别布置有加热元件8。该加热元件8例如可以是例如由陶瓷材料如钛酸钡制成的PTC热敏电阻。加热元件8也可以基于掺杂的硅制造。还可以规定，加热元件8具有通常的加热丝的绕组。能量存储模块Ib的加热元件8布置在能量单元7a附近并且可以通过加热装置9操控。加热装置9被设计用于，检测能量单元7a的温度T，例如运行温度并且根据所检测的温度T操控加热元件8。对于每个能量供给分支而言能量存储模块Ib的数量在此不受限制，例如可以设置每能量供给分支至少一个能量存储模块lb。
[0024]在比较低的温度下，例如在冬季，周围环境温度可能如此低，使得必须预加热用于驱动电动车或混合车辆所使用的系统20。为此，加热装置9如此操控加热元件8，使得能量单元7a被加热，直至其温度T达到运行温度阈为止，在所述运行温度阈情况下能量单元7a具有足够低的内阻民。因为能量单元7a与能量单元5a相比是具有比较低的内阻R1的相应地实施的功率单元，所以用于借助加热元件8预热能量单元7a的能量需求和时间需求相应地低。此外，以有利的方式，仅仅能量存储模块Ib配备有加热元件8，从而不是能量存储装置I的所有能量单元5a和7a必须被加热,而是仅仅能量存储模块Ib的能量单元7a的专用部分被加热。由此可以降低用于加热能量单元7a所需的加热能量需求。
[0025]如果连接到能量存储装置I上的电机2在低输出电压的情况下具有高功率需求，则在此可以动用能量存储单元模块7组。在这种情况下可以规定，为了产生能量存储装置I的输出电压，仅仅动用能量存储单元模块7组的能量单元7a。
[0026]图3示出用于预热能量存储装置I的能量单元7a和用于利用能量存储装置I随后产生供给电压的示例性方法40的示意图。在第一步骤41中检测能量单元5a和7a的温度T。如果温度T高于一定的预先确定的温度阈值，则不需要在能量存储模块Ia和Ib之间区分，因为所有能量单元5a和7a具有同样足够小的内阻R”在这种情况下，可以如通常那样运行能量存储装置I。
[0027]然而，例如温度T在冬季可能对于能量存储装置I在电运行的车辆中的使用相对低。在低温下，能量单元5a和7a具有处于可接受的阈之上的内阻R1,从而不能够确保足够好的功率输出。
[0028]在这种情况下，可以在第二步骤42中规定，加热装置9如此操控加热元件8，使得能量存储模块Ib的能量单元7a被预热。一旦能量单元7a的温度T处于温度阈值之上，则能量存储模块Ib组的能量单元7a运行准备就绪，而其余能量存储模块Ia的未被加热的能量单元5a还没有运行准备就绪。
[0029]尤其在电运行的车辆的起动过程中，例如在启动时，需要高的电流但仅低的供给电压。为此，可以在第二步骤42中确定，仅仅利用能量单元7a的一部分的输出电压产生能量存储装置I的供给电压是否足够，也就是说，电机2的电流需求是否处于预先确定的电流需求阈值之上。
[0030]如果情况如此，则控制装置6可以在第三步骤43中操控每能量供给分支的装备有已经加热的能量单元7a的那些能量存储模块Ib的耦合装置3。其余能量存储模块Ia在此没有被用于产生能量存储装置I的供给电压。当能量单元5a通过能量存储装置I的运行已经达到足够高的运行温度时，在结束起动过程或启动过程之后才可以将第一组能量存储模块Ia的能量单元5a又一起考虑进供给电压的产生中。
【权利要求】
1.用于产生用于电机(2)的η相供给电压的能量存储装置(1)，其中n≥1，所述能量存储装置具有: η个并联连接的能量供给分支，所述能量供给分支分别能够与n个相线(2a，2b，2c)之一连接，其中所述能量供给分支中的每一个具有多个串联连接的能量存储模块(la，lb)，所述能量存储模块分别包括:能量存储单元模块(5，7)，所述能量存储单元模块具有至少一个能量存储单元(5a，7a)，以及耦合装置(3)，所述耦合装置被设计用于，将所述能量存储单元模块(5，7)选择性地接入到相应的能量供给分支中或桥接，其中所述能量存储模块(Ib)中的相应至少一个此外分别具有用于至少一个能量存储单元(7a)的加热元件(8);和 加热装置(9 )，所述加热装置与所述加热元件连接并且被设计用于，操控所述加热元件(8)用于预热每个能量供给分支的能量存储模块(Ib)中的相应至少一个的能量存储单元(7a)。
2.根据权利要求1所述的能量存储装置(I)，其中，所述加热元件(8)包括PTC热敏电阻。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的能量存储装置(I)，其中，每个能量供给分支的能量存储模块(Ib)中的相应至少一个的能量存储单元(7a)在预先确定的温度阈值之下比其余能量存储模块(Ia)的能量存储单元(5a)具有更低的内阻(R1)15
4.系统(20)，所述系统具有: 根据以上权利要求中任一项所述的能量存储装置(I); η相电机(2)，其中n > 1，所述η相电机的相线(2a，2b，2c)与所述能量存储装置(I)的相端子连接；和 控制装置(6 )，所述控制装置被设计用于，选择性地操控用于产生用于所述电机(2 )的供给电压的能量存储模块(la，Ib )的耦合装置(3 )。
5.用于预热根据权利要求1至3中任一项所述的能量存储装置I的能量单元(5a，7a)的方法，所述方法具有步骤: 检测所述能量存储装置(I)的能量单元(5a，7a)的温度(T);以及 借助所述加热装置(9)根据所检测的温度(T)操控每个能量供给分支的能量存储模块(Ib)中的相应至少一个的加热元件(8)，用于预热每个能量供给分支的能量存储模块(Ib)中的相应至少一个的能量单元(7a)。
6.根据权利要求5所述的方法(40)，所述方法此外具有步骤:操控每个能量供给分支的能量存储模块(Ib)中的相应至少一个的耦合装置(3)，用于当所预热的能量单元(7a)的温度(T)超过预先确定的温度阈值时，从所预热的能量单元(7a)的输出电压产生电机(2)的所述相线(2a，2b，2c)上的供给电压。
7.根据权利要求6所述的在根据权利要求4所述的系统中使用时的方法，其中当所述η相电机(2)的电流需求超过预先确定的电流需求阈值时，实施操控所述耦合装置(3)的步骤。
【文档编号】H01M10/44GK103563162SQ201280027629
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2012年4月12日 优先权日:2011年6月9日
【发明者】P.菲尔施塔克, E.魏森博恩, M.克斯勒 申请人:罗伯特·博世有限公司