专利名称：用于电池系统中的能量传输的开关调节器的串联电路的制作方法
用于电池系统中的能量传输的开关调节器的串联电路
背景技术：
对用于静止应用(如风电设备和备用电源系统)中或者车辆中的电池系统的需求越来越多。所有这些要求对可靠性和失效安全性提出了较高要求。其原因在于，通过电池系统的电压供给的完全失效可能导致整个系统的失效。在风能设备中使用电池，以便在强风时调整转子叶片并且保护设备以免可能损害或者甚至破坏风能设备的过度机械负荷。在电动车的电池失效的情况下，行驶性能较差。备用电源系统又应当确保例如医院的不间断的运行并且因此不可以失效。为了可以提供对于相应的应用所要求的功率和能量，使各个电池单元串联并且部分地附加地并联。图1示出电池的串联电路的原理图。大量的电池单元10-1至io-η串联， 以便通过各个电池单元10-Ρ··10-η的电压的相加来达到例如乘用车中电动机所需的高运行电压。可以通过后面的、未示出的功率电子组件、如逆变器的输出侧开关11-1和11-2 来断开高运行电压。因为电池的总输出电流由于电池单元10-Ρ··10-η的串联在电池单元 10-Ρ··10-η的每一个中流动，其中，通过电池单元10-Ρ··10-η内部的电化学过程实现电荷转移，所以一个电池单元的失效在极端情形中意味着整个装置不再能够提供电流并且因此不再能够提供电能。为了可以及时地识别电池单元的即将发生的失效，通常使用所谓的电池管理系统12，其与电池单元10-Ρ··10-η中的每一个的两个极连接或可连接，并且以有规律的或者可选择的间隔确定每个电池单元10-Ρ··10-η的运行参数——如电压和温度并且由此确定其充电状态(State of Charge, SoC)0这在电池系统的电运行数据的灵活性较低的同时还意味着较高的开销。大量电池单元的串联的其他缺点是1.对于借助电池运行的装置的不同运行状态，针对所提供的运行电压、最大电流和所存储的能量提出一些条件，这些条件仅仅在耦合比为了满足要求实际需要的电池单元更多数量的电池单元时才同时存在。这提高了价格以及尤其对于电动车而言造成困扰的电池系统的重量和体积。2.由于通过串联而进行相加的各个电池单元的电压，在直至1000V的高压下进行电池的装配，即各个电池单元的连接，所以在本地工厂中不可以进行电池、各个电池单元或模块的更换，或者在静止的应用情形中仅仅可以由经特殊培训的专业人员借助专用工具进行电池、各个电池单元或模块的更换。由此，在故障情形中为了维护电池系统而产生较高的物流开销。3.为了无电压地开关电池系统，也就是说，使实际的电池与负载分离，必须前置功率开关11-1和11-2，其典型地实施为接触器并且对于预期的高电流和高电压而言很昂贵。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种装置，所述装置可以克服现有技术的上述缺点。本发明的第一方面涉及用于电池系统的能量传输装置，其包括多个DC/DC转换器，这些DC/DC转换器分别具有第一和第二输入端以及第一和第二输出端。DC/DC转换器的第一和第二输入端被构造用于连接电池模块。DC/DC转换器在输出侧是串联的。本发明具有以下优点在初级侧，可以使大量的电池模块并联，这些电池模块分别具有比电池模块的串联低得多的端电压。因此，在任意初级侧连接端子上——即在DC/DC转换器的第一和第二输入端的任意一个中——均不施加在更换单个电池模块或电池单元时需要特殊对待电池的电压。然而，通过使DC/DC转换器的输出端串联，在输出侧作为由各个 DC/DC转换器产生的输出电压的和得到所期望的高的总电压。此外，所述装置允许选择按照运行情况合适的总电压，因为可以按照已知的方式调节各个DC/DC转换器的输出电压。此外，输出电压与在初级侧连接的电池单元的数量无关。由此，可以单纯地根据能量与功率标准而与相应的应用所要求的总电压无关地进行电池系统的设计。另一优点在于，可以省去较贵的接触器11-1和11-2，因为可以通过关断DC/DC转换器以简单的方式关断电池输出端上的高电压。优选地，DC/DC转换器具有第一线圈。特别优选地，DC/DC转换器具有第二线圈，所述第二线圈与DC/DC转换器的第一线圈耦合成功率传输装置或存储变压器。DC/DC转换器的所述实施变型方案能够实现DC/DC转换器的输出端与其输入端的电流去耦合，从而可以简单地实现DC/DC转换器的输出端的串联。DC/DC转换器可以实施为反激变换器(Flyhck-Konverter)，但其他配置方案，如正激变换器、推挽变换器、半桥变换器和全桥变换器以及谐振变换器原理都是可行的变型方案。在根据本发明的能量传输装置的实施方式中，DC/DC转换器的第一输入端接地。特别优选地，在一个实施变型方案中，每个DC/DC转换器的第一和第二输出端与一个在截止方向上连接的空载二极管连接。如果运行中的DC/DC转换器失效，例如因为在输入侧连接的电池模块的电池单元发生故障，则空载二极管导致失效的DC/DC转换器的第一和第二输出端导通地彼此连接，从而在整个装置中可以继续流动输出电流。因此，所述变型方案允许继续运行，虽然一个或多个电池单元失效。此外，在必要时，可以在正在运行时更换电池模块，而不需中断总电压的产生。替代地，DC/DC转换器中的每一个具有用于第一控制信号的第一控制输入端并且被构造用于在接收到第一控制信号的情况下通过开关使DC/DC转换器的第一输出端与DC/ DC转换器的第二输出端电连接。在上述两个实施变型方案中的扩展中，DC/DC转换器中的每一个具有用于第二控制信号的第二控制输入端并且被构造用于在接收到第二控制信号的情况下提高DC/DC转换器的第一和第二输出端之间的电压。由此可以反作用于由于已经描述的失效或者单个 DC/DC转换器的关断而造成的总电压下降，从而由更少数量的DC/DC转换器继续提供至少近似不变的总电压。本发明的第二方面提出一种具有根据本发明的第一方面所述的能量传输装置和大量电池模块的电池系统。这些电池模块分别具有至少一个电池单元。电池模块的电池极与能量传输装置的DC/DC转换器的第一和第二输入端的相应输入端可分离地连接。本发明的第三方面涉及具有根据本发明的第二方面所述的电池系统的机动车。
以下根据实施例的附图详细地解释本发明。附图示出图1 根据现有技术具有电池管理系统的电池；图2 本发明的第一实施例；图3 本发明的第二实施例；以及图4 具有存储变压器的DC/DC转换器的电路图。
具体实施例方式图2示出本发明的第一实施例。在示例中可以看到三个DC/DC转换器21-1、21_2 和21-3，但在真实的应用中DC/DC转换器的数量可以明显更多。DC/DC转换器21-1、21-2 和21-3中的每一个在输入侧与一个电池模块20-1、20-2、20-3连接，这些电池模块20_1、
20-2、20-3在示例中分别具有多个串联的电池单元。如在图2中可以看到的，根据本发明使DC/DC转换器21-1、21-2、21-3的输出端串联，从而作为由DC/DC转换器21-1、21-2、21-3 产生的单个电压的和得出装置的输出端22-1和22-2之间的总电压。DC/DC转换器21_1、
21-2、21-3是以已知的方式构造的并且允许调节在DC/DC转换器21-1、21-2、21-3的第一和第二输出端上施加的输出电压或者关断DC/DC转换器21-1、21-2、21-3，从而不再进行DC/ DC转换。由此可以使输出端22-1和22-2上的总电压灵活地匹配于相应的运行情况，这体现本发明的优点之一。图3示出本发明的第二实施例，其基本上对应于第一实施例。再次示出多个DC/ DC转换器31-1、31-2、31-3，这些DC/DC转换器31-1、31-2、31-3的输入端与电池模块30-1、 30-2,30-3连接，这些DC/DC转换器31-1、31_2、31_3在输出侧串联，以便在装置的输出端 32-1和32-2上提供高的总电压。作为与第一实施例的不同，DC/DC转换器31-1、31-2、31-3 的第一输入端彼此连接并且接地。图4示出具有存储变压器43的已知DC/DC转换器的电路图。通过开关42使在本发明的情形中对应于电池模块的直流电压源41周期性地与存储变压器43的初级线圈43-1 连接和重新分离。当直流电压源41与初级线圈43-1连接时，电流流过初级线圈43-1，所述电流导致存储变压器43中的磁场的建立。当重新打开开关42时，磁场通过存储变压器43 的次级线圈43-1释放在其中存储的能量。以此方式产生的输出电流通过二极管44对缓冲电容器45进行充电，所述缓冲电容器中间存储和平滑通过开关42的节拍脉冲式地流动的输出电流。在第一和第二输出端46-1和46-2上产生除缓冲电容器45的容量外还取决于开关42的节拍的输出电压。DC/DC转换器可以具有第一输出端46-1和第二输出端46_2之间在截止方向上连接的空载二极管，所述空载二极管在示图中没有示出。所述空载二极管允许在DC/DC转换器的根据本发明的串联电路中在DC/DC转换器失效的情形中能量传输装置的继续运行，因为其自动地使失效的DC/DC转换器的输出端短接并且因此允许能量传输装置中的电流继续流动。已知的DC/DC转换器具有控制器，所述控制器使开关42的节拍匹配于运行情况。 也通常设有反馈，其中，确定在输出端46-1、46-2上施加的输出电压并且将所述输出电压用于开关42的节拍的匹配，从而得到尽可能稳定的输出电压。在本发明的范畴内，DC/DC转换器的所述特性允许调节根据本发明的装置的根据运行情况所期望的总电压或者也关断一个或所有DC/DC转换器。
DC/DC转换器的在图4中示出的实施方式的一个重要优点是直流电压源41的输入电压与输出端46-1和46-2上的输出电压的电流去耦合，其能够实现DC/DC转换器的输出端的根据本发明的串联。提供所述优点的其他已知DC/DC转换器也适于本发明的实现。
权利要求
1.用于电池系统的能量传输装置，所述能量传输装置包括多个DC/DC转换器01-1， 21-2，21-3，31-1，31-2，31-3)，这些 DC/DC 转换器(21-1，21-2，21-3，31-1，31-2，31-3)分别具有一个第一输入端和一个第二输入端以及一个第一输出端和一个第二输出端G6-1， 46-2)，其中，所述第一输入端和所述第二输入端被构造用于连接电池模块(20-1，20-2，20-3，30-1，30-2，30-3)，其中，这些DC/DC 转换器(21-1,21-2, 21-3, 31-1,31-2, 31-3)在输出侧是串联的。
2.根据权利要求1所述的能量传输装置，其中，所述DC/DC转换器01-1，21-2，21-3， 31-1，31-2，31-3)分别具有一个第一线圈03-1)。
3.根据权利要求2所述的能量传输装置，其中，所述DC/DC转换器01-1，21-2，21-3， 31-1,31-2,31-3)具有一个第二线圈(43-2)，所述第二线圈与所述DC/DC转换器Ql-1，21-2,21-3,31-1,31-2,31-3)的所述第一线圈耦合成功率传输装置或者存储变压器(43)。
4.根据权利要求2或3所述的能量传输装置，其中，所述DC/DC转换器(21-1，21-2， 21-3，31-1，31-2，31-3)被构造为反激变换器、正激变换器、推挽变换器、半桥变换器和全桥变换器或者被构造为谐振变换器。
5.根据以上权利要求中任一项所述的能量传输装置，其中，所述DC/DC转换器01-1， 21-2，21-3，31-1，31-2，31-3)的所述第一输入端接地。
6.根据以上权利要求中任一项所述的能量传输装置，其中，所述DC/DC转换器01-1， 21-2，21-3，31-1，31-2，31-3)中的每一个具有一个空载二极管，其中，所述空载二极管的正极与所述DC/DC转换器(21-1，21-2，21-3，31-1，31-2，31-3)的所述第二输出端(46-2)而所述空载二极管的负极与所述DC/DC转换器(21-1，21-2，21-3，31-1，31-2，31-3)的所述第一输出端G6-1)分别连接。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的能量传输装置，其中，所述DC/DC转换器01-1， 21-2,21-3,31-1,31-2,31-3)中的每一个具有一个用于第一控制信号的第一控制输入端并且被构造用于在接收到所述第一控制信号的情况下使所述DC/DC转换器(21-1，21-2， 21-3，31-1，31-2，31-3)的所述第一输出端(46-1)与所述 DC/DC 转换器(21-1，21-2，21-3， 31-1，31-2，31-3)的所述第二输出端(46-2)电连接。
8.根据权利要求6或7所述的能量传输装置，其中，所述DC/DC转换器(21-1，21-2， 21-3,31-1,31-2,31-3)中的每一个具有一个用于第二控制信号的第二控制输入端并且被构造用于在接收到所述第二控制信号的情况下提高所述DC/DC转换器01-1，21-2，21-3， 31-1,31-2,31-3)的所述第一输出端与所述第二输出端(46_1，46_2)之间的电压。
9.电池系统，具有根据以上权利要求中任一项所述的能量传输装置和多个电池模块 (20-1，20-2，20-3，30-1,30-2, 30-3)，这些电池模块分别具有至少一个电池单元并且其电池极与所述能量传输装置的一个DC/DC转换器(21-1，21-2，21-3, 31-1,31-2, 31-3)的第一输入端和第二输入端中的一个相应输入端可分离地连接。
10.具有根据权利要求9所述的电池系统的机动车。
全文摘要
一种用于电池系统的能量传输装置、一种具有这种能量传输装置的电池系统和一种具有这种电池系统的机动车。所述能量传输装置包括多个DC/DC转换器，这些DC/DC转换器分别具有第一输入端和第二输入端以及第一输出端和第二输出端，其中，所述第一输入端和所述第二输入端被构造用于连接电池模块，其中，这些DC/DC转换器在输出侧是串联的。
文档编号H02J7/00GK102292893SQ201080005043
公开日2011年12月21日 申请日期2010年1月14日 优先权日2009年1月20日
发明者S·布茨曼 申请人:罗伯特·博世有限公司