CN102754300A - 用于存储电能的、具有单元的电荷平衡的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于存储电能的系统，该系统包括多个存储单元，这些存储单元分别具有一个运行电压。用电设备以及串联于该用电设备的开关元件并联于存储单元布置。开关元件在达到或者超过阈电压时闭合。系统还包括控制装置，该控制装置设定用于，根据由多个存储单元的运行电压中得出的电压值来调节阈电压。此外提出一种用于存储电能的存储单元，以及一种用于控制设计用于存储电能的系统的方法。

Description

用于存储电能的、具有单元的电荷平衡的系统

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分详细限定的类型的、用于存储电能的系统。此外，本发明还涉及一种用于存储电能的方法。 

背景技术

由通常的现有技术已知了用于存储电能的系统、并且在此特别是用于存储电动车辆中或特别是混合动力车辆中的牵引电能的系统。以典型的方式，这种用于存储电能的系统包括单独的存储单元，存储单元例如彼此电串联和/或并联。 

原则上，可以考虑不同类型的蓄电池单元或电容器单元作为存储单元。由于在存储和获取能量时，在车辆的、在此特别是商用车的传动系中应用时，能量总量和特别是功率相对较高，因此优选地将能量存储量和功率足够高的那些存储单元用作存储单元。在此例如可以使用锂离子技术中的蓄电池单元，但或者特别是功率非常强的双层电容器形式的存储单元。这种电容器在本技术领域中通常也称为超级电容器、Supercaps或Ultra-Capacitors。和现在是否使用具有高能量存储量的传统类型的超级电容器或蓄电池单元无关，在这种由多个可以总体上或以单元组形式彼此串联的存储单元组成的系统中，单个存储单元的电压取决于结构类型地限制于上电压值或者说阈电压。如果例如在对用于存储电能的系统充电时超过了该上电压值，那么通常会迅速缩短存储单元的使用寿命。 

基于预定的制造公差，单独的存储单元在其特性、例如自放电方面在实际中典型地彼此略微偏差。这导致在用于单独的存储单元的运行中可以产生比系统中的其它存储单元小一些的运行电压。然而由于对于总的系统的最大电压通常保持相等，并且最大总电压特别在充电时是典型的控制标准，因此这不可避免地导致了，其它的存储单元具有高一些的电压并且在充电过程中然后超过允许的特殊的最大电压极限充电，而这些存储单元和具有较低的运行电压的存储单元串联。如上面已经提到的那样，这种过压导致这些单独的存储单元和进而是用于存储电能的系统的可能的使用寿命显著缩短。 

另一方面，在其电压方面剧烈下降的存储单元在用于存储电能的系统中在循环的运行中换极，这同样迅速缩短使用寿命。 

为了解决该问题，一般的现有技术主要认识到两种不同类型的所谓的单元电压补偿。“单元电压补偿”的通常普遍的专业术语在此略微产生了误导，这是因为在此然而并不将单独的存储单元的电压或更确切地说是能量存储量彼此间进行补偿，而是仅仅使具有高电压的单元在其过高的电压方面减小。由于用于存储电能的系统的(多个)总电压保持固定，然而因此可以通过所谓的单元电压补偿使在其电压方面减小的单元随着时间推移再次在其电压方面升高，从而至少由此至少减小了换极的危险。 

在一种被动的单元电压补偿中，电阻并联于每个单独的存储单元并且因此使得用于存储电能的系统持续不期望地放电并且也被加热，除了这种被动的单元电压补偿，也使用了一种主动的单元电压补偿。在此除了并联于每个单独的存储单元的电阻之外，电子阈值开关并联于存储单元并且串联于电阻。如果单元的运行电压处于预定的阈电压之上，则这个也被称为旁路电子装置的结构因此仅仅总使得电流流动。一旦单独的存储单元的电压再次下降到预定的阈电压以下的区域中，则断开开关并且不再有电流流动。电阻通过开关总是经受外力，基于该事实，如果单独的存储单元的电压在预定的极限值以下，则也可以尽可能避免用于存储电能的总系统的不 期望的放电。持续的、不期望的热产生在主动单元电压补偿的这种解决方式中也不是问题。 

然而通过这种主动的单元电压补偿不会在实际上补偿单元的各个单独的电压，而是在超过阈电压时，利用一个小的旁路电流对存储单元放电，从而通过慢慢地降低过电压来限制超过的情况。其中，该旁路电流一直流过，直到用于存储电能的系统再次放电，因为在此会降到相应的电压极限以下，并且开关被再次断开。这特别是在应用循环运行时显示出例如混合动力驱动装置，因为在这些应用情况下，当缺乏余热回收效果，并且高强度Boost升压运行，存储器未完全充满电时，只能非常短暂地或者也可能更长时间内根本都达不到各个存储单元的阈电压。这就阻碍了单元电压补偿的运行，并且特别是带来了深度放电或者各个单独的存储单元换级的危险，且运行电压较低，而其它单元的运行电压过高。 

在所描述的混合动力驱动装置中，和这里特别是用于像城市交通/短途交通中的公共汽车这样的商用车的混合动力驱动装置中，用于存储电能的系统的寿命具有至关重要的意义。和在通常的传动系中在适合于这种应用的功率级中不同的是，用于存储电能的系统占据了用于混合驱动的成本的显著部分。因此，在这种应用中获得非常高的使用寿命是特别重要的。 

发明内容

因此本发明的目的在于，提出一种用于存储电能的系统，该系统至少部分地避免所述缺点，并且特别是在一种循环运行方式中设计了一种有效的单元电压补偿。 

该目的通过具有独立权利要求所述特征的一种系统和一种方法得以实现。本发明的其它设计方案在从属权利要求中给出。 

特别是本发明提出了一种用于存储电能的系统，包括多个存储单元，这些存储单元分别具有一个运行电压，其中，用电设备以及串联于该用电设备的开关元件并联于存储单元布置，其中，开关元件在达到或者超过阈电压时闭合。该系统的特征在于，系统包括控制装置，该控制装置设定用于，根据由多个或者全部存储单元的运行电压中得出的电压值来调节阈电压。 

因此，根据本发明可能的是，例如每个存储单元的阈电压借助控制装置被调节到一个电压值，这个电压值可以从存储单元的当前运行状态，即从它的运行电压中推导出。多个存储单元例如可以是一个模块或者一个较大存储系统的子模块，或者是用于存储电能的系统的所有存储单元的全体。从多个存储单元或者也可以是所有的存储单元的运行电压中得出的电压值例如可以是平均的单元电压，或者是改变了一个规定的固定的值或者也可是一个变化的值的平均单元电压。这样根据用于存储电能的系统或者该系统的一个模块的当前充电状态动态地调节阈电压，例如可以将阈电压始终确定在高于当前主导的平均电压0.1V。这样跟踪阈电压就使得单元电压增高的个别存储单元放电，这不取决于该模块或者整个系统的充电状态。 

加到平均电压值上的电压值可以是一个固定值。但是也可以例如根据绝对的总电压或者根据当前的运行模式或者根据环境参数或其它参数来选择这个电压值。这样就例如可以设计为，当存储系统的电压水平总体较低时，加上一个相对较大的电压值，相反地，当接近阈电压绝对上限值时，加上一个较小的电压值。这就确保了，当总电压水平低时，不会为单元电压补偿使用太多的能量，而当个别存储单元在最大电压附近的电压范围内时，就防止超过这个范围。除了根据多个存储单元的运行电压调节阈电压之外，也可以设计的是，额外地还使用了一个与多个存储单元的运行电压无关的阈电压值，它不取决于由多个存储单元推导出的电压值而确保了超过一个最大的运行电压。这个绝对的阈电压最大上限值也可以又与整体系 统的运行状态、个别模块相关，或者也与当前必须对存储器系统提出的要求相关，或者与像环境温度或者系统温度这样的环境参数及其它系统参数相关。 

在根据本发明的系统的一个实施方式中，可以为多个存储单元设置一个中央控制装置。于是可以为确定阈电压形成一个或者多个中央控制的存储器模块，它们的阈电压在该模块内一致，但是例如对于每个模块可以有区别地进行控制。 

在另一个根据本发明的实施方式中，控制装置设定用于，从存储单元的多个运行电压中形成一个共同的电压值，并且将多个存储单元的阈电压调节到一个值，在该值中包含有(eingeht)该共同的电压值。除了已经阐述过的可能性之外，即，从多个存储单元的运行电压值中形成一个平均值并且使用该平均值自身或者加上一个固定的或变化的部分，也可以除了这些运行电压值自身之外还将其它的参数引入阈电压的计算中。这样例如可以将当前的功率输出信息或功率消耗信息、一个过去的或者一个将来要达到的功率信息引入到该阈电压值的计算中。 

在根据本发明的系统中可以设计为，控制装置在规定的时间间隔中调节阈电压。这样按时间扫描所述系统或者说所检测的模块，使得在控制耗费很小的情况下却可以更好地控制存储单元的电压。其中，在两次扫描之间的时间间隔例如可以根据系统或者模块的总电压的变化流程进行调整，或者根据总电压的高度进行调整。 

可替换地在一个实施方式中可以设计为，控制装置持续地控制阈电压。这样实时调整阈电压确保了任何时候都保持住确定的阈电压，并且因此直接降低了个别存储单元的可能出现的过高电压。阈电压值的调节装置可以不仅实现为控制装置，特别是也可以实现为封闭的调节回路。 

本发明的一个同样有利的实施方式设计为，开关元件具有控制输入端，通过该控制输入端来控制阈电压。借助于该控制输入端可以通过可能布置在中央的控制装置来控制开关元件。 

一个优选的实施方式设计为，控制装置借助于总线导线和存储单元连接。这就使得能够高效地控制多个存储单元，其中，不仅可以将改变的阈电压值从控制装置传输给存储单元，而且也可以将当前的运行电压值从存储单元传输给控制装置。这就使得可以准确地描述用于存储电能的系统的、或者每次检测的系统模块的存储状态。 

在一个简单的实施方式中，用电设备是电阻，但是可替换地也可以设计其它的方式用于导出电能，例如借助于定向放射。存储单元可以设计为所谓的超级电容器，即双层电容器。在一个简单的实施方式中，开关元件可以是阈值开关。该阈值开关的阈限就可以通过控制装置借助于信号总线或数据总线进行调节。其中特别是可以使用开关元件的控制输入端。 

通过控制装置对开关元件进行控制可以包括无接触的传输装置、特别是隔离放大器。隔离放大器例如可以通过光电耦合器或者通过电感的耦合装置实现，并且因此可以与存储单元电镀隔离地控制开关元件。其中，可以或者将阈电压直接传输到存储单元上，或者为开关元件传输操作信号。 

开头提及的目的也通过一种用于存储电能的存储单元得以实现，具有并联于存储单元布置的用电设备以及串联于用电设备的开关元件，其中，开关元件在达到或者超过阈电压时闭合。根据本发明设计为，开关元件具有用于控制阈电压的控制输入端。借助于该控制输入端可以将存储单元以及可能布置在模块中的其它存储单元的当前运行电压输送给中央控制装置，在那里进行处理，并且根据所测得的运行电压通过控制输入端相应地调节存储单元的阈电压。 

以上提及的目的也通过一种用于控制设计用于存储电能的系统的方法得以实现，该系统具有多个存储单元，这些存储单元分别具有一个存储电压，其中，用电设备以及串联于用电设备的开关元件并联于每个存储单元布置，该方法具有以下步骤：对存储单元进行充电；将一个存储单元的运行电压与一个阈电压进行比较；以及如果这个运行电压达到或者超过阈电压，则闭合开关元件。 

根据本发明在这个方法中设计为，根据由多个存储单元的运行电压中得出的电压值来调节阈电压。 

附图说明

根据本发明的系统、根据本发明的存储单元和/或根据本发明的方法的其它有利的设计方案还从以下根据附图详尽描述的实施例中得出。 

图中示出： 

图1是混合动力车辆的一个示例性的结构；以及 

图2是用于存储电能的系统的一个实施方式的示意图。 

具体实施方式

图1中示出了示例性的混合动力车辆1。其具有两个带有各两个示例性表明的车轮4的轴2，3。轴3在此应该是车辆1的被驱动的轴，而轴2以自身已知的方式和方法仅仅随动。为了对轴3进行驱动，示例性地示出了传动装置5，该传动装置从内燃机6和电机7中获取功率并且将其导入被驱动的轴3的区域中。在驱动情况下，电机7单独地或对内燃机6的驱动功率进行补充地可以将驱动功率导入被驱动的轴3的区域中，并且因此驱动了车辆1或者对车辆1的驱动进行支持。此外在车辆1制动时，电机7可以作为发电机运行，以便因此回收在制动时产生的功率并且相应地存 储。为了例如在作为车辆1的市内公共汽车的使用中也对于较高速度的制动过程提供足够的存储能量，其中该较高速度对于市内公共汽车而言确定地最大大约为70km/h，必须在此情况下设置用于存储电能的系统10，其具有数量级为350至700Wh的存储能量。因此例如在大概10秒长的制动过程中由这种速度产生的能量可以通过典型地具有大约150kW数量级的电机7转换成电能，并且该电能存储在系统10中。 

为了对电机7进行控制以及为了对用于存储电能的系统10充电和放电，该结构根据图1具有变流器9，变流器以自身已知的方式和方法设计具有用于能量管理的集成的控制装置。通过具有集成的控制装置的变流器9使电机7和用于存储电能的系统10之间的能量流相应地协调。控制装置确保的是，在制动时在然后以发电机形式驱动的电机7的区域中产生的功率被尽可能地存储在用于存储电能的系统10中，其中通常不能超过系统10的预定的上电压极限。在驱动情况下，变流器9中的控制装置协调从系统10中获取的电能，以便在与此相反的情况下借助于这些获取的电能驱动电机7。除了在此说明的、例如可以设计为市内公共汽车的混合动力车辆1以外，自然也可以在纯电动车辆中考虑类似的结构。 

图2示意性地示出按照一种实施方式的根据本发明的用于存储电能的系统10的一部分。原则上可以考虑不同类型的、用于存储电能的系统10。典型地这样对这种系统10进行构造，即多个存储单元12典型地串联在系统10中。该存储单元在此可以是蓄电池单元和/或超级电容器，也或者是上述装置的任意组合。对于在此示出的实施例而言，应将存储单元12全都设计为超级电容器，即设计为双层电容器，其应该被装入配有混合驱动装置的车辆1中的、用于存储电能的一个系统10中。该结构在此可以优选地被装入商用车中，例如用于城市交通/短途交通的公共汽车中。 

在此通过经常性的启动-和制动技术动作并结合非常高的车辆质量，通过超级电容器实现了电能存储的特别高的效率，这是因为相对较高的电 流流动。由于作为存储单元12的超级电容器具有比例如蓄电池单元小很多的内阻，因此其对于在此详细说明的实施例是优选的。 

如已经提到的，在图2中可以识别出存储单元12。在此仅仅示出了多个串联的存储单元12中的三个存储单元。这些存储单元在一系列其它未示出的存储单元中构成第一模块A。同样示意性地示出了其他模块B，C。模块的准确数量根据系统的使用目的而不同。在上面提到的实施例中并且当相应的电驱动功率是大约100至200kW、例如是120kW时，这些存储单元在实际的结构中将可能总共是大约150至250个存储单元12。如果这些存储单元设计为具有对于每个超级电容器来说当前上电压极限为大约2.7V的超级电容器，并且具有3000法拉的电容，则将为城市公共汽车的混合动力驱动装置给出实际的应用。 

如图2所示，每个存储单元12都具有一个与各个存储单元12并联的欧姆电阻14形式的用电设备。该用电设备和开关元件16串联并且并联于每个存储单元12，在此情况下，并联于每个超级电容器12。开关16设计为阈值开关并且具有控制输入端18。这个阈值开关16包括该超级电容器12的电压监测装置。一旦这个超级电容器12超过一个电压上限阈值，开关16就闭合，从而来自超级电容器12的电流可以流经电阻14。因此相应地减小位于电容器中的电荷并且进而也减小了电压，因此避免在同一个超级电容器12中再次超过阈电压值。 

此外还设有中央控制装置22。其与总线20连接，在该总线上又连接了所有的存储单元12。控制装置22设定用于，借助于总线20通过各个控制输入端18以如下方式控制被布置在存储单元上的开关元件16，即，可以为每个存储单元12调节阈电压。与之相反地，控制装置22可以通过总线20经过检测开关元件16的运行电压来检测每个存储单元12的当前运行电压，为此，要通过控制输入端将一个相应的信号或者相应的数据传输给总线20，并且进而传输给控制装置22。 

如果现在在系统10运行期间例如由于存储单元12之间不同的内电阻或者由于通过构造方式限定的其它区别而出现显著相互偏差的运行电压，那么就通过总线20将其传输给控制装置22。该控制装置22从各个存储单元12的这些单个的运行电压值中分别查出一个对于模块A，B或C之一有效的平均运行电压值。例如通过以下方式从中求出一个对于各个模块A，B，C中的存储单元有效的阈电压，即，在平均值上加上一个固定的或者与当前运行模式相关的电压数值。可替换地也可以仅使用以算术法得出的平均值。这样得出的阈电压值由控制装置22通过总线20传输给各个模块的存储单元12。如果现在单个的存储单元12高于这个阈电压值，那么各自的开关元件16闭合，并且这些存储单元12中的充电量通过欧姆电阻14减小，由此也降低了存储单元12的运行电压。如果在各个模块A，B，C中的更多数量的存储单元12都高于从平均运行电压值中得出的阈电压，那么就通过为单个的存储单元12放电来减小平均值。由这个减小的平均值中，控制单元22又算出一个更低的阈电压，其通过总线20和控制输入端18传输到各个开关元件16。以这种方式可能会重复地使得存储单元12的运行电压匹配于模块A，B，C的平均值。 

以这种方式，基本上任何时候都形成所有存储单元12的一个持久的同步周期，这就能在不会缩短用于存储电能的系统10的使用寿命的情况下最大化对存储电能的利用率。 

这特别是在下述情况下是有利的，即，在应用循环式运行方式时，例如在混合动力驱动装置中，只非常短暂地达到整体系统或者整体模块的一个阈电压。其中，也可能会出现以下情况，即，很长时间都根本不再达到这个阈电压，因为在高强度Boost升压运行的情况下缺少余热回收功能时，存储器不再被充电直至阈电压。通过根据本发明的解决方案能解决这个问题，因为设计为阈值开关的开关元件16通过合适的控制输入端18对它的阈值持续地(即也在例如在一个余热回收过程中的循环运行期间，其中，电压由于能量存储而升高)实时进行调整，例如调整到平均的单元电压， 这个平均的单元电压是从总电压和所有单元的数量中得出的，或者也从一个模块或子模块的平均的单元电压中得出。 

Claims (14)

1.一种用于存储电能的系统(10)，包括多个存储单元(12)，所述存储单元分别具有一个运行电压，其中，用电设备(14)以及串联于所述用电设备(14)的开关元件(16)并联于所述存储单元(12)布置，并且其中，所述开关元件(16)在达到或者超过阈电压时闭合，

其特征在于，

所述系统(10)包括控制装置(22)，所述控制装置设定用于，根据由多个存储单元(12)的运行电压中得出的电压值来调节所述阈电压。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，为多个存储单元(12)设置一个中央控制装置(22)。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述控制装置(22)设定用于，从所述存储单元(12)的多个运行电压值中形成一个共同的电压值，并且将多个存储单元(12)的所述阈电压调节到一个值，在所述值中包含有所述共同的电压值。

4.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述控制装置(22)在规定的时间间隔中调节所述阈电压。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其特征在于，所述控制装置(22)持续地控制所述阈电压。

6.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述开关元件(16)具有控制输入端(18)，通过所述控制输入端来控制所述阈电压。

7.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述控制装置(22)借助于总线导线(20)和所述存储单元(12)连接。

8.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述用电设备是电阻(14)和/或所述存储单元是超级电容器(12)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述开关元件是阈值开关(16)。

10.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述控制装置(22)借助于无接触的传输装置控制所述开关元件(12)。

11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述无接触的传输装置包括隔离放大器。

12.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统(10)用在蓄能器中，特别是用于混合动力驱动装置。

13.一种用于存储电能的存储单元，具有并联于所述存储单元布置的用电设备(14)以及串联于所述用电设备(14)的开关元件(16)，其中，所述开关元件(16)在达到或者超过阈电压时闭合，其特征在于，所述开关元件(16)具有用于控制所述阈电压的控制输入端(18)。

14.一种用于控制设计用于存储电能的系统的方法，所述系统具有多个存储单元，所述存储单元分别具有一个运行电压，其中，用电设备以及串联于所述用电设备的开关元件并联于每个存储单元布置，所述方法具有以下步骤：

-对所述存储单元进行充电，

-将一个存储单元的运行电压与一个阈电压进行比较，以及

-如果所述运行电压达到或者超过所述阈电压，则闭合所述开关元件，

其特征在于以下步骤：

根据由多个存储单元的运行电压中得出的电压值来调节所述阈电压。

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