[發明專利]電池系統中用于能量傳輸的開關調節器串聯電路

有效

• 申請號: 201080032632.6
• 申請日: 2010-06-24
• 公開（公告）號: CN102473970A
• 公開（公告）日: 2012-05-23
• 發明（設計）人: S·布茨曼
• 申請（專利權）人: SB鋰摩托有限公司;SB鋰摩托德國有限公司
• 主分類號: H01M10/44
• 分類號: H01M10/44;H02J7/00
• 代理公司: 北京市金杜律師事務所 11256
• 代理人: 鄭立柱

背景技術

對在固定的應用如風力發電設備和應急電源系統以及其在車輛中使用的電池系統的需求持續增加。所有這些應用均對可靠性和故障安全性有較高要求。原因在于：一個由電池系統引起的電壓供給完全故障能夠導致整個系統的故障。所以在風力發電設備中使用電池，以便在強風時調節轉動葉片且保護設備免受過量的機械負載，此種負載可能會對風力發電設備產生傷害甚至將其毀壞。在電動汽車的電池故障的情況下車輛是不能開動的。應急電源系統應該恰好重新確保如救護車不中斷運行并且因此應急電源系統本身盡可能不要發生故障。

為了能夠提供用于各種應用所要求的功率和能量，各電池單元被串聯地且除此之外另外并聯地連接起來。圖1描繪了電池串聯電路的一個電路原理圖。大量電池單元10-1至10-n被串聯連接起來，以便通過累加單個電池單元10-1，......，10-n的電壓來達到比如汽車中電動發動機所要求的高工作電壓。此高工作電壓能夠通過輸出側開關11-1，11-2由接下來的未示出的功率電子器件如逆變器去耦。因為電池總輸出電流由于電池單元10-1，......，10-n的串聯而流經每個電池單元10-1，......，10-n，其中在電池單元10-1，......，10-n內部通過電化學過程產生電荷遷移，在極端狀況下單個電池單元的故障意味著整個裝置不能再提供電流，并且因此不能再提供電能。為了能夠及時識別電池單元10-1，......，10-n具有威脅性的故障，通常會應用所謂的電池管理系統12，此電池管理系統與各電池單元10-1，......，10-n的兩極已連接或者可連接并以固定或者可選的間隔確定各電池單元10-1，......，10-n運行參數，如電壓、溫度，并由此確定其充電狀態(State?of?Charge，SoC)。這意味著電池系統電子運行數據低靈活性的同時的高花費。

大量電池單元串聯還有如下缺點：

1.針對將用電池驅動的設備的不同運行狀態，設置關于所提供的工作電壓、最大電流和存儲能量的條件，只有當多于實現各種要求實際必需的電池單元被耦接起來時，這些條件才能一致。這會提高價格且特別是用于電動汽車時會增加電池系統的有影響的重量和體積。

2.因為通過串聯電路累加各個電池單元電壓，在直至1000V的高壓下實現電池安裝，即各個電池單元的聯接，因此單個或者整個模塊電池的更換不能在本地的工場進行，或在固定的應用情況下只能由經過特殊培訓的專業人員用專業工具進行。由此在故障情況下的電池系統維護產生高物流費用。

3.為了不帶電壓地關斷電池系統，這就是說把本來的電池和負載分開，必須設計功率開關11-1和11-2，其典型地被實現為繼電器且用于期望高電流和電壓的繼電器是非常昂貴的。

發明內容

本發明的任務是引入一種能夠克服背景技術中所述缺點的裝置。

本發明的第一個方面涉及用于電池系統的能量傳輸器，此能量傳輸器包含各自具有兩個輸入端和兩個輸出端的第一和第二初級DC/DC轉換器，其中輸入端被構造為用于連接電池模塊，且其中第一和第二初級DC/DC轉換器在輸出側串聯連接。依據本發明此能量傳輸器包含至少一個具有兩個輸入端和一個第一輸出端的第一次級DC/DC轉換器，其兩個輸入端與第二初級DC/DC轉換器的輸出端相連接，并且其第一輸出端與第一初級DC/DC轉換器輸出端之一相連接。

本發明具有優點：在輸出側串聯連接的初級DC/DC轉換器產生不依賴于電池模塊的電壓并因此不依賴于其充電狀態的可選輸出電壓，其中和第一、第二初級DC/DC轉換器相連接的電池模塊能夠加不同強度的負荷。通過第一次級DC/DC轉換器使這一點成為可能，其輸入端與第二初級DC/DC轉換器的輸出端相連接，并且當第一次級DC/DC轉換器被激活時從第二初級DC/DC轉換器獲取能量且將其通過與第一初級DC/DC轉換器的輸出端相連接的第一輸出端傳輸。由此減輕第一初級DC/DC轉換器及連接在其輸入側的電池模塊的負荷。本發明以此方式允許所謂的負荷平衡(Load-Balancing)，其中每個電池模塊的充電狀態盡可能的一樣，以至于沒有電池單元放電到臨界值以下，盡管其他電池單元還能夠提供更多能量。

此外DC/DC轉換器的引入使得選擇視運行情況而定的合適的總電壓成為可能，因為各個DC/DC轉換器的輸出電壓能夠以已知方式調整。除此之外輸出電壓不依賴于初級側所連接的電池單元數量。由此電池系統的設計能夠只根據能量和功率標準而不依賴于各種應用所要求的總電壓來進行。另一個優點是：能夠不采用昂貴的繼電器11-1、11-2，因為電池輸出端的高電壓能夠通過斷開DC/DC轉換器輕松斷開。