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CN104620491B - 蓄电池管理系统、蓄电池系统、机动车和用于生成周期性交流电压的方法 - Google Patents

蓄电池管理系统、蓄电池系统、机动车和用于生成周期性交流电压的方法 Download PDF

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CN104620491B CN201380047026.5A CN201380047026A CN104620491B CN 104620491 B CN104620491 B CN 104620491B CN 201380047026 A CN201380047026 A CN 201380047026A CN 104620491 B CN104620491 B CN 104620491B
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Abstract

依据本发明提出了一种用于蓄电池模块组(70‑1、…、70‑m)的蓄电池管理系统，蓄电池模块组具有单独地或者串联地与蓄电池模块组(70‑1、…、70‑m)的极正地或者负地电连接并且单独地电分离的蓄电池模块(11‑1、11‑2、…、11‑n)。其中，蓄电池模块组(70‑1、…、70‑m)适于通过分离和连接蓄电池模块(11‑1、11‑2、…、11‑n)而生成交流电压。蓄电池管理系统的特征在于其将每个蓄电池模块与其在蓄电池模块列表中的位置相关地与相应的持续时间相关联，在相应的持续时间期间蓄电池模块在交流电压的半周期之内电连接。这将使得蓄电池模块根据例如借助于充电状态和/或健康状态所确定的功率性能的层次化成为可能并且由此使得模块负载的均衡成为可能。

Description

蓄电池管理系统、蓄电池系统、机动车和用于生成周期性交流 电压的方法
技术领域
本发明涉及用于在应用蓄电池模块组的情况下生成周期性交流电压的方法和用于蓄电池模块组的蓄电池管理系统。该蓄电池模块组包括单个的或者串联地与蓄电池模块组的极可连接的并且单独地电分离的蓄电池模块每个具有至少一个蓄电池单元，例如锂离子蓄电池单元，如其大概在电动或者混动机动车的蓄电池系统，即在具有部分地或者分时地电驱动的驱动装置的机动车之中找到应用。本发明因此也涉及一种机动车和一种蓄电池系统。
背景技术
通过经改善的存储容量、更频繁的再充电性和更高的能量密度，诸如基于锂离子单元的蓄电池或者镍金属氢化物蓄电池找到越来越广泛的应用。具有更低的能量存储容量的蓄电池将会例如用于更小的便携式电子装置，诸如移动电话、笔记本电脑、摄像机和诸如此类的，而具有更高的容量的蓄电池将会作为混合动力或者电动车辆等的电机的驱动装置的能量源或者作为静态的蓄电池而找到应用。
蓄电池能够例如通过串联连接多个蓄电池模块来形成，其中部分地区也能够并联连接多个蓄电池模块来实现并且蓄电池模块在其方面能够由串联连接和/或并联连接的蓄电池单元而组成。
特别地，对于混合动力或者电动车辆的电机的驱动装置来说，多项蓄电池系统是合适的，其也被描述为蓄电池直接逆变器(BDI)并且在DE 10 2010 027 864之中加以描述了。BDI包括蓄电池模块和与模块相关联的耦合单元。借助于耦合单元该些蓄电池模块能够单独地电连接并且电隔离，可选地还具有如下可能性，即在正的和负的连接之间做出选择。
图1示出了具有耦合单元50的蓄电池模块60。多个蓄电池单元11串联连接在该耦合单元50的输入端之间。该蓄电池模块60并不限于该些蓄电池单元11的这种串联电路，其与之相反地也能够仅仅设置有单个的蓄电池单元11或者然而为并联电路或者为多个蓄电池单元11的混合的串并联电路。耦合单元50的第一输出端与第一端子61相连接并且该耦合单元40的第二输出端与第二端子62相连接。通过该耦合单元50该些蓄电池单元能够从其余的蓄电池双侧地解耦，这例如使得在连续的驱动过程之中的无危险的更换成为可能，因为在该蓄电池单元11的任何一个极之上均未施加该蓄电池的其余的蓄电池模块的有危险的高的总电压。
图2示出了一种蓄电池，其拥有n个蓄电池模块组70-1至70-m。每个蓄电池模块组70-1至70-m具有多个蓄电池模块60，其中，优选地每个蓄电池模块组70-1至70-m具有相同数量的蓄电池模块60并且每个蓄电池模块60以相同的方式连接地含有相同数量的蓄电池单元11。每个蓄电池模块组70-1至70-m的极能够与其他的蓄电池模块组70-1至70-m的相应的极相连接，这通过图2中的虚线加以示出。通常来说，蓄电池模块组70-1至70-m能够含有大于1的蓄电池模块60数量并且蓄电池含有蓄电池模块组70-1至70-m的每个数量。还能够在蓄电池模块组70-1至70-m的极上附加地设置充电和分离装置以及分离装置，当需要安全性确定时。然而，这样的分离装置并不是必须的，因为该些蓄电池单元11从蓄电池连接端的解耦能够通过包含在蓄电池模块60之中的耦合单元30或者50来实现。
图3示出了具有蓄电池的驱动系统。在所示出的示例之中，该蓄电池具有三个蓄电池模块组70-1、70-2和70-3，它们分别直接地连接至借助于三个相信号来施加的驱动电机13的运行的输入端之上。通过使得蓄电池的控制单元来激活(或者去激活)蓄电池模块组的蓄电池模块60的可变的数量，在蓄电池模块组的输出端处提供与所激活的蓄电池模块60的数量成比例的电压，该电压能够为在0V和蓄电池模块组的完全的输出电压之间。
因此，该多项蓄电池系统能够通过多个模块的相应的连接和分离而被用于生成多个相互相移的交流电压。在相应的设计方案之中，例如能够生成三个接近正弦曲线的并且相互相移的交流电压轮廓，由此能够生成直接用于驱动电动或者混合动力电机的旋转磁场。其中，如此地选择该电压，使得所设置的交流电影响用于驱动电机所需要的转矩。
图4示出了蓄电池模块组的输出电压的时间上的曲线。其中，该蓄电池模块组的输出电压V随着时间t变化。以附图标记80-b标注了对于示例性的应用目的所期望的(理想的)正弦，然而其仅仅具有大于或者等于零的电压值。该理想的正弦由蓄电池模块组通过值离散的电压曲线80-a来近似地加以生成。值离散的电压曲线80-a与理想的曲线80-b的偏差在其大小方面取决于蓄电池单元11的数量，该些蓄电池单元在蓄电池模块60之中串联连接。在蓄电池模块60之中串联连接的蓄电池单元11越少，那么该值离散的电压曲线80-a便能越为精准地跟随理想的曲线80-b。在通常的应用之中，可忽略的较小的偏差然而不会损害整个系统的功能。
为了蓄电池管理之目的，例如为了基本上操控多个模块、提升该些蓄电池的安全性、提高效率并且延长蓄电池模块的使用寿命并且由蓄电池模块来组装成蓄电池系统而使用该蓄电池管理系统。蓄电池管理系统的功能在于以一定的精度和采样频率来采样时间上的电流强度和/或电压曲线，该采样是必须的，从而确定单个的蓄电池模块的当前的充电状态和/或当前的老化状态、内阻、温度值和/或其他特征参数的值。
尽管蓄电池单元的制造已经标准化了并且由单元制造商实现了优异的制造方法，但是也应当观察到在电气的属性方面的不同，例如关于电压、容量或者内阻方面的不同。除了这些由于制造工艺所引起的区别以外，老化过程还将影响该些蓄电池单元的电气属性的另外的改变。在由一个或者多个单元所组成的蓄电池模块之中，单个的蓄电池单元因此不会在电功率方面相同。特别地，在模块之中的多个单元的串联电路之中，由最弱的单元的电气特征来确定该模块的特性。因此，单个的蓄电池模块同样具有单独的电气特征。
发明内容
本发明描述了在蓄电池的多个模块之间的均衡方法。
特别地，依据本发明描述了依据权利要求1所述的用于蓄电池模块组的蓄电池管理系统，所述蓄电池模块组具有单独地或者串联地与所述蓄电池模块组的极电连接并且单独地电分离的蓄电池模块。
其中，所述蓄电池模块组适于通过所述蓄电池模块的分离和连接来生成交流电压，所述蓄电池管理系统的特征在于，其被设置用于将每个蓄电池模块与其在蓄电池模块列表之中的位置相关地与相应的持续时间相关联，在所述相应的持续时间期间所述蓄电池模块在所述交流电压的半周期之中电连接。
通过所述蓄电池模块列表的动态的管理能够实现所述蓄电池模块的负载的动态的管理。
在一个可能的实施形式之中，所述蓄电池管理系统包括用于接收所传输的所述蓄电池模块的电压曲线的装置和用于使用所测量的曲线来确定所述相应的蓄电池模块的磨损状态的装置。其中，所述蓄电池管理系统被设置用于将所确定的状态用于将所述蓄电池模块设置在所述蓄电池模块列表之中，从而使得在所述蓄电池模块列表之中的所述蓄电池模块根据上升的磨损来设置。此外，所述蓄电池管理系统被设置用于将较少磨损的蓄电池模块与一个持续时间相关联，该持续时间长于与可比较地更强地磨损的蓄电池模块相关联的持续时间。
在该实施形式或者其他的实施形式之中，所述蓄电池管理系统被设置用于确定将所述相应的持续时间分成相互分离的部分持续时间的中断的数量和持续，其中，所述中断的数量和持续与由所述相应的蓄电池模块所提供的电压和在所述相应的持续时间的起始时刻和结束时刻之间的交流电压的所期望的电压曲线相关。
此外还提供了依据权利要求4所述的用于生成至少一个交流电压的蓄电池系统。所述蓄电池系统包括至少一个具有单独地或者串联地与所述蓄电池模块组的极电连接并且单独地电分离的蓄电池模块和依据本发明的蓄电池管理系统。
并且描述了一种机动车，其包括至少分时地或者部分地电驱动的驱动电压和根据权利要求4所述的蓄电池系统。
此外提供了用于生成周期性的交流电压的方法，其中，所述交流电压在包括蓄电池模块的蓄电池系统的极处生成。其中，所述蓄电池系统允许所述蓄电池模块单独地与所述极电连接或者从所述极电分离。所述交流电压将通过所述蓄电池模块与所述极的电连接状态的改变来生成，其中，在每个蓄电池模块的半周期之中不同长地电连接。所述方法的特征在于在其间相应的蓄电池模块在半周期之中应当电连接的相应的持续时间与所述相应的蓄电池模块在蓄电池模块列表之中的至少一个位置相关联。这就是说在其间所述相应的蓄电池模块在所述半周期期间应当电连接的相应的持续时间至少与所述相应的蓄电池模块在蓄电池模块列表之中的位置相关。
在一个可能的实施形式之中，用于所述蓄电池模块中的每个的所述方法包括以下步骤：测量所述相应的蓄电池模块的至少一个电压的曲线以及使用所测量的曲线来确定所述相应的蓄电池模块的磨损状态。在该可能的实施形式之中，所述方法还包括使用所确定的状态来将所述蓄电池模块设置在所述蓄电池模块列表之中，从而使得在所述蓄电池模块列表之中的所述蓄电池模块根据上升的磨损来设置，其中，所述相应的蓄电池模块越少磨损则所述相应的持续时间越长。
其中，在直接地前置在所述半周期之前的半周期之中以最长的持续时间加以连接的所述蓄电池模块能够在所述半周期之中以最短的持续时间加以连接。
所述相应的持续时间能够由通过至少一个中断相互分隔的部分持续时间所组成。所述中断的数量和持续然后能够与通过所述相应的蓄电池模块来提供的电压和在所述部分持续时间中时间上第一个的起始时刻和所述部分持续时间中的时间上的最后一个的结束时刻之间的所述交流电压的所期望的电压曲线相关地加以选择，从而通过所期望的电压曲线的脉宽调制来更好地加以逼近。
附图说明
借助于附图和后续的说明书来进一步阐述本发明的多个实施例。其中：
图1示出了具有根据现有技术所述的耦合单元的蓄电池模块；
图2示出了具有根据现有技术所述的n个蓄电池模块组的蓄电池；
图3示出了具有带有三个根据现有技术所述的蓄电池模块组的蓄电池的驱动系统；
图4示出了蓄电池模块组的输出电压的时间上的曲线；
图5示出了根据本发明的第一实施形式的蓄电池模块组的输出电压的示例性的时间上的曲线；
图6示出了根据本发明的第一实施形式的变型的蓄电池模块组的输出电压的示例性的时间上的曲线；
图7示出了根据本发明的第二实施形式的蓄电池模块组的输出电压的示例性的时间上的曲线；以及
图8示出了根据本发明的第二实施形式的变型的蓄电池模块组的输出电压的示例性的时间上的曲线。
具体实施方式
在本发明的第一示例性实施形式之中描述了在多相蓄电池系统的即具有BDI的蓄电池系统的多个模块之间的均衡方法。该均衡方法包括用于生成正弦的电压曲线的蓄电池模块的优先化(Priorisierung)。其中，一个模块其功率性能越高则其含有在该生成使用的越高的优先级。这能够或许借助于充电状态来加以确定。替代地或者附加地能够考虑该模块的磨损状态，其中，磨损状态越低则分配在生成中所使用的越高的优先级。
模块的磨损状态能够加以估计，或许借助于该模块所被使用的整个持续时间来进行。附加地或者替代地，磨损状态的确定能够由该模块之上的一次或者多次测量来支持，例如内阻测量和/或容量测量。
该优先化限制了性能更弱的模块的使用，该性能更弱的模块由于磨损或者当前的充电状态比其他的更弱，并且该优先化取而代之地影响性能更强的模块的变多的使用。所以限制了更弱的模块的后续的弱化和/或老化。这将实现该模块的可用性的延长并且由此实现整个系统的更长的且更好的可用性。
在具有直接转换器(BDI)的蓄电池模块系统之中，多个模块能够单独地闭合和断开。其中能够附加地在正向的和负向的连接之间加以选择。由此使得借助于具有直接转换器的蓄电池模块系统能够生成接近正弦的交流电压轮廓或者曲线。
例如在图5中所绘制出的那样，在本发明的第一实施形式之中，为了生成第一半周期而选出了n个模块之中在SOC和/或SOH和/或磨损持续方面最强的模块11-1并且为了生成电压V1而以持续t1≤T/2来正地接通，其中，T为周期持续。当由最强的模块11-1所提供的电压在大小上大于|V1|时，代替永久地接通能够以持续t1借助于快速开关(快速切换)在持续t1期间使用脉宽调节，以便平均地提供电压V1。
n个模块中稍弱或者第二强的模块11-2将在持续时间t1期间以t2≤t1地正向地加以接通。在持续时间t2期间，第二强模块11-2提供|V2|≤|V1|的电压V2。能够再次取代于永久地接通而使用基于快速切换的脉宽调制来提供平均为V2的电压。该些模块正向地串联连接，从而在持续时间t2期间至少提供具有大于或者等于|V1|+|V2|的大小的电压。
第i强的模块11-i(1<i<n)将在持续时间t(i-1)期间以持续时间ti≤t(i1)加以接通。在持续时间ti期间，第i强的模块11-i提供具有|Vi|≤|V(i-1)|的电压Vi。能够再次使用脉宽调制来提供平均为Vi的电压。该些模块能够正向地串联连接，从而在持续时间ti期间至少提供在大小上大于或者等于|V1|+|V2|+…+|V(i-1)|+|Vi|的电压。
最弱的模块11-n在持续时间t(n-1)期间以持续时间tn≤t(n-1)地加以接通。在持续时间tn期间该最弱的模块11-n提供具有|Vn|≤|V(n-1)|的电压Vn。该些模块正向地加以串联连接，从而使得在持续时间tn期间至少提供一个电压，其大小为|V1|+|V2|+…+|V(n-1)|+|Vn|＝Vmax。然后，Vmax为该交流电压的幅度。能够再次使用脉宽调制来提供平均为Vn的电压。例如在图6中加以示出了该第一实施形式的变型。
对于生成逼近正弦曲线的电压轮廓的第一个半周期来说，间隔t1、t2、…、tn集中在时刻t0+T/4，其中，半周期在t0时开始。
在该第一实施形式之中，间隔与模块之间的关联在第二半周期之中得以保持。也就是说，在第二半周期之中，最强的模块最弱的模块11-1再次以持续时间t1加以接通，第i强的模块11-i(1<i<n)再次对于所有1≤j<i来说以持续时间ti≤tj加以接通并且最弱的模块11-n再次对于所有1≤j<n来说以持续时间tn≤tj来加以接通。在第二半周期之中，然而这样的接通是负向的。所生成的电压的大小和在第一半周期之中的一样。再者，间隔t1、t2、…、tn然而在第二半周期之中集中在时刻t0+3*T/4。
模块根据强度的层次化能够在使用经计算的和/或经测量的量的情况下加以实现。所以例如在BMS之中该模块的整个使用持续能够在使用接通持续的情况下得以维持并且用于根据强度的层次化。附加地或者替代地，能够借助于所测量的值例如电压、电流和/或电容来确定该模块的当前的充电状态并且根据充电状态来实现该模块的层次化。
其中，在每个周期之后更新该层次化是有利的，从而使得能够使用实际的充电、磨损和/或老化状态来用于层次化。
例如在图7中所绘制的那样，在第二实施形式之中，能够确定想出了持续时间与在第二半周期之中的模块的关联。也就是说，在该第二半周期之中在第一半周期之中以对于所有1≤j≤n来说持续时间tn≤tj地加以接通的模块11-n在第二半周期之中以持续时间t1加以接通。在该第一半周期之中以持续时间t1加以接通的模块11-1在第二半周期之中以对于所有1≤j≤n来说持续时间tn≤tj地加以接通。并且在第一半周期之中以对于1≤i≤n的持续ti来接通的模块11-i在第二半周期之中以持续时间t(n-i)地加以接通。图8示出了图7中的第三示例的变型，其中，附加地快速切换在每个半周期之中最短地加以接通的模块，以便适配幅值。
在第二实施形式之中，该模块的负载在一个周期之中相同或者近似地相同。特别地，该模块的负载在最场地接通的半周期之中和在最短地接通的另一个半周期之中是相同的。
倘若如此地选择持续ti和电压Vi使得对于不同的i得出每个周期的不同的总负载，那么能够根据每个周期的整个负载来层次化不同的i。然后，最弱的模块能够以持续ti在第一半周期之中接通，对于第一个半周期来说总负载在两个半周期之中是最低的。相应地，更强的模块能够设置更大的负载并且最强的模块能够设置最大的负载。
在第三实施形式之中，并未根据强度来实现接通，而是根据所提供的电压来实现接通。然后，为了将该电压量提高大小|Vi|而接通该模块，其所提供的电压在大小上大于等于|Vi|并且其大小具有最小的偏差|Vi|。所以能够达到特别好地逼近正弦的曲线。

Claims (7)

1.一种用于蓄电池模块组(70-1、…、70-m)的蓄电池管理系统，所述蓄电池模块组具有单独地或者串联地与所述蓄电池模块组(70-1、…、70-m)的极正向地或者负向地电连接并且单独地电分离的蓄电池模块(11-1、11-2、…、11-n)，其中，所述蓄电池模块组(70-1、…、70-m)能够通过分离和连接所述蓄电池模块(11-1、11-2、…、11-n)而生成交流电压，
其特征在于，
所述蓄电池管理系统被设置为将每个蓄电池模块(11-1、11-2、…、11-n)根据其在蓄电池模块列表中的位置而与相应的持续时间相关联，在所述相应的持续时间期间所述蓄电池模块在所述交流电压的半周期之内电连接，
所述蓄电池管理系统还包括：用于接收所述蓄电池模块的所传输的电压曲线的装置；用于测量所接收的曲线的装置；用于使用所测量的曲线来确定所述相应的蓄电池模块的磨损状态的装置；其中，所述蓄电池管理系统被设置为使用所确定的状态用于将所述蓄电池模块设置在所述蓄电池模块列表之中，从而使得所述蓄电池模块在所述蓄电池模块列表之中根据上升的磨损来设置，其中，所述蓄电池管理系统被设置为将较少磨损的蓄电池模块与一个持续时间相关联，所述持续时间长于与相比较更强地加以磨损的蓄电池模块相关联的持续时间。
2.根据权利要求1所述的蓄电池管理系统，其中，所述蓄电池管理系统被设置用于确定用于将所述相应的持续时间分成相互分离的部分持续时间的中断的数量和持续，其中，所述中断的数量和持续取决于通过所述相应的蓄电池模块所提供的电压和在所述相应的持续时间的起始时刻和结束时刻之间的交流电的所期望的电压曲线。
3.一种用于生成至少一个交流电压的蓄电池系统(140)，其包括至少一个蓄电池模块组(70-1、…、70-m)和根据权利要求1至2中任一项所述的蓄电池管理系统，所述至少一个蓄电池模块组具有单独地或者串联地与所述蓄电池模块组(70-1、…、70-m)的极能够电连接并且单独地电分离的蓄电池模块(11-1、11-2、…、11-n)。
4.一种机动车，其具有分时地或者部分地能够电驱动的驱动单元(150)和根据权利要求3所述的蓄电池系统(140)。
5.一种用于在包括蓄电池模块(11-1、11-2、…、11-n)的蓄电池系统(70-1、…、70-m)的极处生成周期性的交流电压的方法，其中，所述蓄电池系统(70-1、…、70-m)允许所述蓄电池模块中(11-1、11-2、…、11-n)的每个单独地与所述极电连接或者从所述极电分离，并且其中，所述交流电压通过所述蓄电池模块与所述极的电连接状态的改变来生成并且其中在半周期之中每个蓄电池模块不同长地加以电连接，
其特征在于，
相应的持续时间与相应的蓄电池模块在蓄电池模块列表之中的至少一个位置相关联，在所述相应的持续时间期间所述相应的蓄电池模块在所述半周期期间电连接，
其中，用于所述蓄电池模块中的每个的方法包括步骤：
测量所述相应的蓄电池模块的至少一个电压的曲线；
将所测量的曲线用于确定所述相应的蓄电池模块的磨损状态；
其中，所述方法还包括步骤：
将所确定的状态用于将所述蓄电池模块设置在蓄电池模块列表之中，从而使得所述蓄电池模块在所述蓄电池模块列表之中根据上升的磨损来设置，其中，所述相应的蓄电池模块越少被磨损则所述相应的持续时间越长。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述蓄电池模块在直接在所述半周期之前的半周期之中已经以最长的持续时间加以连接则在所述半周期之中以最短的持续时间来加以连接。
7.根据权利要求5至6中任一项所述的方法，其中，相应的持续时间由通过至少一个中断相互隔开的部分持续时间组成，并且其中，所述中断的数量和持续取决于通过所述相应的蓄电池模块所提供的电压和在所述部分持续时间中的时间上的第一部分持续时间的起始时刻和所述部分持续时间的时间上的最后的部分持续时间的结束时刻之间的所述交流电的所期望的电压曲线。
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