用于电蓄能系统的电路装置和充电方法与流程

本发明的涉及一种按照独立专利权利要求的前序部分所述的用于电蓄能系统的电路装置和充电方法。

背景技术：

在如今的电驱动车辆、尤其是电动车辆（ev）或者混合动力车辆（hev）中，电池组模块通过单个电池组电池的并联和串联接通来构造，所述电池组模块在车辆中对外起到电池组包的作用。电池组包具有额定电压，所述额定电压根据电池组包的充电状态和负荷来限定充电和放电过程的电压范围。

如今，对电驱动车辆、尤其是具有电池组作为主要能量源的车辆的充电是密集研究和开发的主题。一方面，其原因在于：目前的用于完全的电池组充电的充电时间还很长，而且另一方面，将来的存储器的容量还要更加增大，使得在不久的将来，安置在车辆中的具有超过50kwh的容量的电蓄能系统将投入使用。同时，为了所述车辆的更广泛接受度而值得期望的是：与在具有内燃机的车辆的加油过程时的停留时间尽可能可比的更短充电时间。

由技术标准、可支配的构件和技术以及效率要求造成地，车辆传动系的正常运行电压目前在纯电驱动车辆的情况下限于通常300v至450v的值。符合标准的充电插头通常被认证用于直至200a的额定电流，其中用于直流电压充电的充电电压通常可以在200v至850v之间。通过蓄能系统与充电装置之间的通信，在充电装置侧可以在一定的极限的范围内对充电电压和充电电流进行无级调节。

然而，如今的可支配的电蓄能系统、尤其是电池组系统因为其接线、例如以串联或并联接通的方式固定布线而并不提供如下可能性：在充电时对电压进行适配，以及同时使存在于驱动侧的部件、例如逆变器在正常的运行电压水平上继续运行。

图1示出了按照现有技术的电路装置的示例：直流电压充电装置以能借助于开关元件分离的方式与电池组系统导电连接。在电池组系统与至少一个耗电器之间布置其它开关元件，使得电池组系统借助于这些其它开关元件与耗电器能导电连接。在不使用耗电器时，电池组系统和耗电器能借助于这些其它开关元件电分离。

图2示出了按照现有技术的电路装置的另一示例：对直流电压充电装置的充电电压的适配能够借助于在直流电压充电装置与电池组系统之间的电压转换器来实现。该电压转换器布置在由电池组系统来馈电的电驱动车辆中。

de10330834a1示出了一种用于在电网失灵时对至少一个负载进行供电的方法和设备。

wo2011/105794公开了一种具有串行电路的混合式电池系统，该电池系统的二次电池不仅可以串联地接通而且可以并联地接通。

de102012219488a1示出了一种用于给电容性器件预充电的电路装置和方法。

技术实现要素：

本发明的出发点是一种用于电蓄能系统的电路装置，该电蓄能系统具有第一蓄能单元和第二蓄能单元，该第一蓄能单元和该第二蓄能单元分别具有第一极连接端和第二极连接端，该电路装置具有：

-至少一个第一输入端和第二输入端，用于与直流电压源的导电连接，

-至少一个第一输出端和第二输出端，用于与至少一个电部件的导电连接，

-第一开关元件，该第一开关元件布置在第一蓄能单元的第一极连接端与第一输出端之间，其中第一蓄能单元的第一极连接端与第一开关元件的第一连接端导电连接，而第一输出端与第一开关元件的第二连接端导电连接，

-第二开关元件，该第二开关元件布置在第二蓄能单元的第二极连接端与第二输出端之间，其中第二蓄能单元的第二极连接端与第二开关元件的第一连接端导电连接，而第二输出端与第二开关元件的第二连接端导电连接，

其中第一蓄能单元的第一极连接端借助于第七开关元件与第一输入端能导电连接，而第二蓄能单元的第二极连接端借助于另一第七开关元件与第二输入端能导电连接。

本发明的核心在于：在第一蓄能单元的第二极连接端与第二蓄能单元的第一极连接端之间布置第三开关元件，其中第一蓄能单元的第二极连接端与第三开关元件的第一连接端导电连接，而第二蓄能单元的第一极连接端与第三开关元件的第二连接端导电连接，

其中在第一蓄能单元的第二极连接端与第二蓄能单元的第二极连接端之间布置第四开关元件，其中第一蓄能单元的第二极连接端与第四开关元件的第一连接端导电连接，而第二蓄能单元的第二极连接端与第四开关元件的第二连接端导电连接，

其中在第一蓄能单元的第一极连接端与第二蓄能单元的第一极连接端之间布置第五开关元件，其中第一蓄能单元的第一极连接端与第五开关元件的第一连接端导电连接，而第二蓄能单元的第一极连接端与第五开关元件的第二连接端导电连接，

其中这些蓄能单元根据第三、第四和第五开关元件的开关位置来并联接通或串联接通。

本发明的背景是：可以借助于具有分别不同的充电特性的不同的充电设备来给蓄能器充电，其方式是，蓄能器的接线被适配，使得充电设备的充电特性和蓄能器的充电特性兼容。

有利地，这两个蓄能单元相同地来实施。因此，蓄能系统的最大充电电压在串联接通中是在并联接通中的两倍大。

优选地，第三开关元件无电流闭合。即如果没有控制电压施加在第三开关元件上，则该第三开关元件闭合。

优选地，第四和/或第五开关元件无电流断开。即如果没有控制电压施加在第四和/或第五开关元件上，则该第四和/或第五开关元件断开。

本发明的其它有利的实施方式是从属权利要求的主题。

按照一个有利的设计方案，该电路装置具有至少一个预充电电路，该预充电电路被设立用于，限制在第一蓄能单元与第二蓄能单元之间的补偿电流。在此有利的是：这两个蓄能单元即使在非常不同的充电状态情况下也可以被转变为并联接通。为此，首先借助于预充电电路来给具有较低充电状态的蓄能单元充电，而且只有当这些蓄能单元的充电状态彼此均衡时，才将这些蓄能单元并联接通。因此，在具有被提高的自放电的蓄能电池的情况下，只对具有如下蓄能电池的蓄能单元进行预充电，所述蓄能电池具有被提高的自放电。

有利地，该预充电电路与第四开关元件和/或第五开关元件并联接通地布置。

按照另一有利的设计方案，该电路装置具有直流电压转换器和第六开关元件，其中直流电压转换器的第一输入连接端与第一蓄能单元的第二极连接端导电连接，其中直流电压转换器的第二输入连接端与第二蓄能单元的第一极连接端导电连接，其中第六开关元件布置在直流电压转换器的第一输出连接端与第一输出端之间，其中第六开关元件的第一连接端与直流电压转换器的第一输出连接端导电连接，而第六开关元件的第二连接端与第一输出端导电连接，其中直流电压转换器的第二输出连接端与第二开关元件的第一连接端导电连接。在此有利的是：在这些蓄能单元并联接通并且蓄能系统的由此降低的额定电压的情况下，借助于直流电压转换器能产生如下电压，该电压对应于在这些蓄能单元串联接通时的额定电压。因此，借助于直流电压转换器，其它电部件能在蓄能系统的充电过程期间运行。

还有利的是，直流电压转换器的第一和第二输入连接端与第三开关元件反并联接通地布置。由此，直流电压转换器在第三开关元件闭合时、尤其是在这些蓄能单元串联接通时短接并且因此无电压。

在借助于直流电压源的用于电蓄能系统的充电方法中，其中该电蓄能系统具有至少两个蓄能单元以及如之前所描述的那样的或根据针对电路装置的权利要求之一所述的电路装置，本发明的核心在于：该充电方法具有如下时间上接连的方法步骤：

-其中在第一方法步骤中确定直流电压源的至少一个特性；

-其中在第二方法步骤中确定蓄能系统的至少一个特性；

-其中在第三方法步骤中，将直流电压源的所述至少一个特性与蓄能系统的所述至少一个特性进行比较；

-其中在第四方法步骤中，借助于第三方法步骤的结果来确定：这些蓄能单元是在第一变型方案中并联接通地被充电还是在第二变型方案中串联接通地被充电；

-其中在第五方法步骤中，在第一变型方案情况下，为了这些蓄能单元的串联接通，将第三开关元件闭合并且将第四开关元件和第五开关元件断开；

其中在第二变型方案情况下，为了这些蓄能单元的并联接通，将第三开关元件断开，然后将第四开关元件闭合并且在相应的蓄能单元之内分别使相应的蓄能单元的蓄能电池的充电状态均衡，而且接着将第五开关元件闭合；

-其中在第六方法步骤中，将两个第七开关元件闭合，以便将第一蓄能单元的第一极连接端与该电路装置的第一输入端连接并且将第二蓄能单元的第二极连接端与该电路装置的第二输入端连接，而且然后开始从被连接到第一极连接端和第二极连接端上的直流电压源输送能量给这些蓄能单元；

-其中在第七方法步骤中监控这些蓄能单元的充电状态；

-其中在第八方法步骤中，通过将这两个第七开关元件断开而且必要时将第三开关元件闭合并且将第四和第五开关元件断开使得这些蓄能单元串联接通来结束充电过程。

本发明的背景是：借助于该充电方法，借助于具有分别不同的充电特性的不同的直流电压源来给蓄能器充电，其方式是，蓄能器的接线被适配，使得直流电压源的充电特性和蓄能器的充电特性兼容。

有利地，在第五方法步骤中，相应的蓄能单元的蓄能电池的充电状态借助于该蓄能系统的蓄能器管理系统来均衡。

按照一个有利的设计方案，在第一方法步骤中，确定直流电压源的最大充电电压，其中在第二方法步骤中，确定蓄能系统的最大充电电压，其中在第四方法步骤中，如果蓄能系统的最大充电电压超过直流电压源的最大充电电压，则选择第一变型方案、即并联接通。在此有利的是：通过对这些蓄能单元的接线的适配，该蓄能系统的充电电压能够适配于直流电压源的充电电压。

按照另一有利的实施方式，在第五方法步骤之后，将第六开关元件闭合，而且在第六方法步骤中，第一开关元件保持断开，以便将直流电压转换器与直流电压源连接。由此，在这些蓄能单元并联接通并且蓄能系统的由此降低的额定电压的情况下，借助于直流电压转换器能产生如下电压，该电压对应于在这些蓄能单元串联接通时的额定电压。因此，借助于直流电压转换器，其它电部件能在蓄能系统的充电过程期间运行。

在具有至少两个电蓄能单元的电蓄能系统情况下，本发明的核心在于：该电蓄能系统具有如之前所描述的那样的或按照针对电路装置的权利要求之一所述的电路装置。

在如之前所描述的那样的或按照针对电路装置的权利要求之一所述的电路装置的应用情况下，本发明的核心在于：该电路装置被应用在电驱动车辆中或者被应用在混合动力车辆中。

本发明的背景是：该车辆可以借助于不同的直流电压源来充电。因此，改善了针对车辆的充电站的可用性。

这些开关元件例如可以被实施为半导体开关元件、例如被实施为mosfet或者igbt，但是也可以被实施为机电继电器或接触器。

电蓄能单元尤其可以被理解为电化学电池组电池和/或具有至少一个电化学电池组电池的电池组模块和/或具有至少一个电池组模块的电池组包。例如，电蓄能单元可以是锂电池组电池或者锂电池组模块或者锂电池组包。尤其是，电蓄能单元可以是锂离子电池组电池或者锂离子电池组模块或者锂离子电池组包。此外，电池组电池的类型可以是锂-聚合物蓄电池、镍-金属氢化物蓄电池、铅-酸蓄电池、锂-空气蓄电池或者锂-硫蓄电池或十分普遍地可以是任意电化学成分的蓄电池。

附图说明

图1示出了按照现有技术的电蓄能系统的电路装置；

图2示出了按照现有技术的电蓄能系统的另一电路装置；

图3示出了按照第一实施方式的电蓄能系统的按照本发明的电路装置；

图4示出了按照第二实施方式的电蓄能系统的按照本发明的电路装置；和

图5示出了针对电蓄能系统的按照本发明的充电方法的流程图。

具体实施方式

在接下来的段落中，依据实施例来阐述本发明，从这些实施例中可以得到其它创造性特征，但是本发明在其范围方面并不限于这些创造性特征。这些实施例在附图中示出。

在所有图中，相同的附图标记表示相同的装置部件或方法步骤。

在图3中示出了按照本发明的用于蓄能系统100的电路装置的第一实施方式。

蓄能系统100具有第一蓄能单元r1和第二蓄能单元r2，该第一蓄能单元和该第二蓄能单元分别具有至少两个串联接通的蓄能电池101。相应的蓄能单元（r1、r2）也可以具有以串联和并联接通方式的蓄能电池101的组合或者具有蓄能电池101的并联电路。

每个蓄能单元（r1、r2）分别具有尤其是正的、第一极连接端（p1、p4）和尤其是负的、第二极连接端（p3、p2）。

蓄能系统100借助于第一输入端e1和第二输入端e2与在附图中未示出的直流电压源能导电连接。在第一输入端e1与第一蓄能单元r1的第一极连接端p1之间布置第七开关元件108。在第二输入端e2与第二蓄能单元r2的第二极连接端p2之间布置另一第七开关元件108。通过相应的第七开关元件108，相应的极连接端（p1、p2）和相应的输入端（e1、e2）能彼此导电连接，用来给蓄能系统100充电。

这些蓄能单元（r1、r2）能借助于第三开关元件（s3）来串联接通。为此，第三开关元件（s3）布置在第一蓄能单元r1的第二极连接端p3与第二蓄能单元r2的第一极连接端e4之间。由此，第一蓄能单元的第二极连接端p3与第二蓄能单元r2的第一极连接端p4能导电连接。

为了蓄能单元（r1、r2）的并联接通，该电路装置具有第四开关元件s4和第五开关元件s5。借助于第四开关元件s4，第一蓄能单元r1的第一极连接端p1能与第二蓄能单元r2的第一极连接端p4连接。借助于第五开关元件s5，第一蓄能单元r1的第二极连接端p3能与第二蓄能单元r2的第二极连接端p2连接。

第一蓄能单元r1的第一极连接端p1借助于第一开关元件s1与蓄能系统100的第一输出端a1能导电连接。第二蓄能单元r2的第二极连接端p2借助于第二开关元件s2与蓄能系统100的第二输出端a2能导电连接。

该电路装置具有至少一个预充电电路122，该预充电电路与第五开关元件s5并联接通地布置。替选地或附加地，另一未示出的预充电电路与第四开关元件s4并联接通地布置。

为了给以并联接通方式的蓄能单元（r1、r2）充电，第三开关元件s3断开而第四和第五开关元件（s4、s5）以及第七开关元件s7闭合。为了可以在充电过程期间给分别与电池组系统的输出端（a1、a2）导电连接的耗电器供应能量，可以将第一和第二开关元件（s1、s2）闭合。然而，这些部件接着只以正常的工作电压的一半来运行。

为了给以串联接通方式的蓄能单元（r1、r2）充电，第三开关元件s3和第七开关元件s7闭合而第四和第五开关元件（s4、s5）断开。为了可以在充电过程期间给分别与电池组系统的输出端（a1、a2）导电连接的耗电器供应能量，可以将第一和第二开关元件（s1、s2）闭合。

在此，在建立串联电路时应注意：在将第三开关元件s3闭合之前，首先将第四开关元件s4和第五开关元件s5断开，以便避免短路。这可以在机械开关装置、例如接触器的情况下通过第四开关元件s4、第五开关元件s5和第三开关元件s3的共同的机械耦合、以第三开关元件s3的闭合的相应滞后（nacheilen）来进行，或者在电子开关装置、例如mosfet或者igbt的情况下以及在非耦合的机电开关装置情况下通过操控装置的相对应的反符合接线或通过在对开关装置进行控制的、这里未示出的电子单元中的相对应地受保护的软件功能来进行。

按照本发明的用于蓄能系统100的电路装置例如能被用于车辆的电动机。为此，蓄能系统100的输出端（a1、a2）与中间电路电容器103连接。中间电路电容器103给变流器106馈电，该变流器产生针对电动机的交变电压。

另一直流电压转换器104能与中间电路电容器103并联接通地布置，该另一直流电压转换器产生车载电网105的额定电压、例如12v或48v，其中车辆的其它电部件能利用该车载电网来运行。

从中间电路电容器103能给蓄能系统100的冷却设备102馈电，该冷却设备与中间电路电容器103并联接通地布置。

用于蓄能系统100的电路装置的所描述的应用在能源技术方面也是可能的，例如在风能技术或太阳能技术或水力发电技术方面是可能的。

在图4中示出了按照本发明的电路装置的第二实施方式。

相对于按照图3的第一实施方式附加地，按照图4的第二实施方式具有直流电压转换器111和第六开关元件s6。

直流电压转换器111例如在这些蓄能单元的并联接通的情况下、在充电过程期间能使用用于：对冷却设备102和/或其它电部件、尤其是车辆部件进行电压供应。

直流电压转换器111以第一输入连接端来与第一蓄能单元r1的第二极连接端p3导电连接并且以第二输入连接端来与第二蓄能单元r2的第一极连接端p4导电连接。第六开关元件s6布置在直流电压转换器111的第一输出连接端与第一输出端a1之间。直流电压转换器111的第二输出连接端与第二开关元件s2导电连接，其中第二开关元件s2布置在第二输出连接端与第二输出端a2之间。

直流电压转换器111的输入连接端与第三开关元件s3反并联接通地布置。

为了在这些蓄能单元并联接通的情况下使用直流电压转换器111，将第一和第三开关元件（s1、s3）断开并且将第二、第四、第五和第六开关元件（s2、s4、s5、s6）以及第七开关元件s7闭合。

图5示出了按照本发明的借助于直流电压源的用于电蓄能系统100的充电方法的流程图，该电蓄能系统具有至少两个蓄能单元（r1、r2）以及按照实施例的电路装置。在此，所有开关元件（s1、s2、s3、s4、s5、s6、s7）的对于随后示范性的描述的初始位置是：所有开关元件（s1、s2、s3、s4、s5、s6、s7）都断开。

该充电方法具有如下时间上接连的方法步骤：

在第一方法步骤st200中，确定直流电压源的至少一个特性、尤其是直流电压源的最大充电电压。

在第二方法步骤st201中，确定蓄能系统100的至少一个特性、尤其是蓄能系统100的最大充电电压。

在第三方法步骤st202中，将直流电压源的至少一个特性与蓄能系统100的至少一个特性进行比较。

在第四方法步骤st203中，借助于第三方法步骤st202的结果来确定：这些蓄能单元（r1、r2）是在第一变型方案中并联接通地被充电还是在第二变型方案中串联接通地被充电，尤其是其中如果蓄能系统100的最大充电电压超过直流电压源的最大充电电压，则选择第一变型方案、即并联接通。

在第五方法步骤st204中，在第一变型方案情况下，为了这些蓄能单元（r1、r2）的串联接通，将第三开关元件s3闭合并且将第四开关元件s4和第五开关元件s5断开。

在第二变型方案下，为了这些蓄能单元（r1、r2）的并联接通，在第五方法步骤st204中将第三开关元件s3断开，然后将第四开关元件s4闭合并且在相应的蓄能单元r1、r2之内借助于预充电电路122分别对相应的蓄能单元（r1、r2）的蓄能电池101的充电状态进行均衡，而且接着将第五开关元件s5闭合。

在第六方法步骤st205中，将两个第七开关元件108闭合，以便将第一蓄能单元r1的第一极连接端p1与该电路装置的第一输入端e1连接并且将第二蓄能单元r2的第二极连接端p2与该电路装置的第二输入端e2连接。然后开始从被连接到第一极连接端p1和第二极连接端p2上的直流电压源输送能量给这些蓄能单元（r1、r2）。

在第七方法步骤st206中，监控蓄能单元（r1、r2）的充电状态。

一旦达到了这些蓄能单元（r1、r2）的所希望的充电状态，就在第八方法步骤st207中，通过将这两个第七开关元件108断开而且必要时将第三开关元件s3闭合并且将第四和第五开关元件（s4、s5）断开使得这些蓄能单元（r1、r2）串联接通来结束充电过程。

在一个替选的充电方法中，在第五方法步骤之后，将第六开关元件s6闭合，而且在第六方法步骤中，第一开关元件s1保持断开，以便将直流电压转换器111与直流电压源连接。