用于控制能量存储装置的耦合装置的方法和能量供应系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于控制能量存储装置的、尤其是具有模块化的电池组系统的能量存储装置的耦合装置的方法和能量供应系统。
【背景技术】
[0002]呈现出，今后不仅在诸如风力设备或太阳能设备的静止应用中，而且在如混合动力或电动车辆的车辆和船舶中，增加地使用将新型能量存储技术与电驱动技术或者与供电网相组合的电子系统。
[0003]单相或多相电流到电机或供电网中的馈送通常通过脉冲逆变器形式的变流器来实现。对此可以将由直流电压中间回路所提供的直流电压变换为多相交流电压，例如三相交流电压。该直流电压中间回路在此由串联的电池组模块构成的支路来馈电。为了能够满足针对相应的应用所给出的对功率和能量的要求，通常将多个电池组模块串联在牵引电池组中。
[0004]在文献US 5 642 275 Al中描述了一种具有集成的逆变器功能的电池组系统。这样的系统以多级级联逆变器或者电池组直接逆变器(电池组直接变流器，BDI)的命名而已知。这样的系统在多个能量存储模块支路中包括直流源，其中所述能量存储模块支路可以直接连接到电机或电网上。在此可以产生单相或多相供电电压。能量存储模块支路在此具有多个串联的能量存储模块，其中每个能量存储模块具有至少一个电池组电池和所分配的可控耦合单元，该耦合单元允许根据控制信号来断开相应的能量存储模块支路、或者跨接分别被分配的至少一个电池组电池、或者将分别被分配的至少一个电池组电池接入到相应的能量存储模块支路中。通过例如借助脉冲宽度调制合适地控制耦合单元，还可以提供合适的相位信号以控制相输出电压，使得可以放弃单独的脉冲逆变器。为了控制相输出电压所需的脉冲逆变器因此可以说是被集成到BDI中。
[0005]类似的系统在文献DE 10 2010 027 857 Al 和 DE 10 2010 027 861 Al 中公开，
所述文献例如示出具有多个电池组模块支路的电池组直接逆变器，其中所述电池组模块支路可以直接连接到电机上。
[0006]BDI相对于常规的系统通常具有更高的效率和更高的故障安全性。故障安全性此外通过如下来保证，即可以通过合适地跨接控制耦合单元将失效的、故障的或欠功率的电池组电池从能量供应支路中切断。能量存储模块支路的相输出电压可以通过相应地控制耦合单元而被改变，并尤其是分级地被调节。输出电压的分级在此由单个能量存储模块的电压来得出，其中最大可能的相输出电压通过能量存储模块支路的所有能量存储模块的电压之和来确定。
[0007]为了调节能量存储模块的输出电压，可以对耦合单元进行脉冲宽度调制(PWM)控制。由此可以通过有目的地改变接通时间以及断开时间来输出所期望的平均值作为能量存储模块电压。
[0008]在BDI或模块化构造的能量存储装置中要求:快速地、灵活地、可靠地、能量有效地且成本适宜地控制各个能量存储模块的耦合单元。随着能量存储模块的数量增加，该要求越发变难。
[0009]因此存在对于控制模块化构造的能量存储装置的耦合装置的需求，其中各个能量存储模块的功率电子装置能够以高的精度、高的速度、尽可能大的灵活性和小的实施耗费来控制。
【发明内容】
[0010]本发明根据一个方面创造一种能量供应系统，其具有能量存储装置。能量存储装置具有多个串联在至少一个能量供应分支中的能量存储模块，所述能量存储模块分别包括:具有至少一个能量存储电池的能量存储电池模块；和具有耦合元件的耦合装置，所述耦合元件被设计用于选择性地将能量存储电池模块接入到相应的能量供应分支中或者绕开能量存储电池模块；和多个驱动装置，所述驱动装置被分配给能量存储模块中的各一个并且与能量存储模块中的所述各一个耦合，并且所述驱动装置被设计用于根据驱动信号控制耦合装置的耦合元件。能量供应系统还包括控制装置，所述控制装置经由控制信号线路与驱动装置耦合，并且所述控制装置被设计用于将控制信号经由控制信号线路输出给驱动装置，所述控制信号具有物理的控制信号参数，用于驱动装置的控制模式被编码到所述控制信号参数的数值中。在此，驱动装置被设计用于接收控制信号，并且根据可预设的控制模式分配和控制信号参数的数值产生相应的驱动信号。
[0011]根据另一方面，本发明创造一种用于控制能量存储装置的耦合装置的方法，所述能量存储装置具有多个串联在至少一个能量供应分支中的能量储存模块。能量存储模块分别包括:能量储存电池模块，所述能量储存电池模块具有至少一个能量存储电池；和具有耦合元件的耦合装置，所述耦合元件被设计用于选择性地将能量存储电池模块接入到相应的能量供应分支中或者绕开能量存储电池模块。该方法在此具有如下步骤:产生控制信号，所述控制信号具有物理的控制信号参数，用于驱动装置的控制模式被编码到所述控制信号参数的数值中；将控制信号发送给驱动装置，所述驱动装置被分配给能量存储模块中的各一个并且与能量存储模块中的所述各一个耦合，并且所述驱动装置被设计用于根据驱动信号经由控制信号线路控制耦合装置的耦合元件；和通过驱动装置根据可预设的控制模式分配和控制信号参数的数值产生用于耦合装置的耦合元件的相应的驱动信号。
[0012]本发明的构思是:在具有串联在一个或多个能量供应分支中的电池组电池的模块化构造的能量存储装置中，尽可能有效、快速、精确和灵活地确保功率电子构件的控制。对此，设有控制装置，所述控制装置经由控制线路与被分配给能量存储装置的相应的能量存储模块的驱动装置进行通信。经由所述控制线路能够将控制信号发送给全部驱动装置，所述控制信号具有物理特性，所述物理特性的数值或其变化被驱动装置的控制行为编码。
[0013]根据本发明的控制的优点在于:仅设有一个控制线路，经由所述控制线路以顺序的次序对能量供应分支的全部驱动装置供应控制信号。由此降低硬件耗费，尤其是因为能够灵活地调整能量存储模块或所属的驱动装置的数量，而不必根本性地改变控制线路拓扑。此外，能够通过这一个控制线路确保驱动装置的控制的同步性。
[0014]此外，存在如下优点:能够应用标准化的控制信号类型，使得实施是灵活的、成本适宜的且低故障的。借助根据本发明的方法措施，用于驱动装置的控制信号的高的更新频率是可行的，而针对与驱动装置的通信不需要昂贵且专用的硬件部件。特别是，在驱动装置中的控制信号的分析是快速、无问题的并且可以不大规模地匹配于控制信号的类型。
[0015]该控制能够实现极其短的等待时间。此外有利的是，理论上未受限数量的能量存储模块是可行的，所述能量存储模块的实际最大数量仅与通过驱动装置进行的控制信号的所需的分辨率和处理速度相关。此外，根据本发明的方法措施确保在故障情况下、例如在控制线路的线破损或者到驱动装置的引线的线破损的情况下的安全的状态。
[0016]此外，经由边沿信号同步能量存储模块是可行的。控制信号的传递有利地是鲁棒的并且能够经由适当的器件、例如光电耦合器以电分离的方式执行。控制装置和驱动装置之间的总的通信仅需要少量的运算能力，使得驱动装置和控制装置的软件占用少量资源。
[0017]按照根据本发明的能量供应系统的一个实施方式，能量供应系统还能够包括配置线路，所述配置线路将控制装置与驱动装置耦合，其中控制装置被设计用于，将配置信号经由配置线路输出给驱动装置，所述配置信号配置驱动装置的相应的能预设的控制模式分配。这提供如下优点:即经由单独的配置线路能够将配置数据以对于更新快速性要求小的方式传输给驱动装置。由此，常规的总线系统、例如CAN总线或LIN总线被用于驱动装置的配置。
[0018]按照根据本发明的能量供应系统的另一实施方式，能量供应系统还能够包括重置线路，所述重置线路将控制装置与驱动装置耦合，其中控制装置被设计用于，将重置信号经由重置线路输出给驱动装置，所述重置信号将耦合装置的全部耦合元件置于断开的状态。有利地，由此能够确保在故障情况下的安全性。
[0019]按照根据本发明的能量供应系统的另一实施方式，能量供应系统还能够包括反馈线路，所述反馈线路连同控制信号线路一起形成用于控制装置的反馈回路，其中控制装置被设计用于经由反馈线路接收控制信号，并且根据反馈的控制信号检查是否控制信号无错地输出给全部驱动装置并且在控制信号线路中不存在故障。这能够实现:更容易地确定故障和失效以及必要时在运行时间不同的情况下再调节控制信号。
[0020]按照根据本发明的能量供应系统和方法的另一实施方式，控制信号能够是脉冲宽度调制的数字信号，并且物理的控制信号参数能够是脉冲宽度调制