專利名稱：用于儲存電能的系統(tǒng)的制作方法
用于儲存電能的系統(tǒng)
本發(fā)明涉及根據(jù)如權(quán)利要求1的前序部分中詳細定義類型的、用于儲存電能的系統(tǒng)。本發(fā)明進一步地涉及用于儲存電能的方法。
用于儲存電能的系統(tǒng)，且特別地尤其是用于在電動車輛或混合動力車輛中儲存電牽引能的系統(tǒng)，是一般現(xiàn)有技術中已知的。用于儲存電能的這類系統(tǒng)通常通過單獨的蓄電池(storage cell)設置，所述單獨的蓄電池例如為串聯(lián)和/或并聯(lián)在一起的電氣開關。
主要地，大量不同的蓄電池組(storage battery)電池或電容器可用作蓄電池。在這種情況下，由于在用于車輛的傳動系中且特別用于商用車輛的傳動系中時，儲存和回收能量時具有相對高的能量數(shù)量和功率，因此具有足夠的能含量(energy content,內(nèi)能)和高功率的蓄電池優(yōu)選用作蓄電池。這些可以是例如鋰離子技術的蓄電池組電池，或特別是非常強力的雙層電容器形式的蓄電池。這些電容器一般也稱為超級電容器、超級電容或超電容器。
不管是否使用具有高能含量的超級電容器或蓄電池組電池，在包括整體地或模塊地互相串聯(lián)在一起轉(zhuǎn)接(switch)的多個蓄電池的配置的情況下，各個蓄電池的電壓限于由各個蓄電池的設計而決定的上限電壓值或閾值電壓。如果在用于儲存電能的系統(tǒng)充電期間，超過了所述上限電壓值，則蓄電池的使用壽命一般會顯著減少。
由于預定的制造公差，實際上各個蓄電池通常在它們的性能上(例如自放電)彼此間稍有偏差。這導致的后果是，各個蓄電池具有比系統(tǒng)中的其他蓄電池稍微低的電壓。因?qū)τ谡麄€系統(tǒng)，最大電壓一般保持相同，且這表示充電期間特別典型的觸發(fā)標準，這將不可避免地導致其他的蓄電池將具有稍微高的電壓，并且然后將在充電過程中充電至超出允許的電壓閾值。如上述已提到的，這類過電壓導致各個蓄電池且因此用于儲存電能的系統(tǒng)的可能操作壽命的顯著減少。
另一方面，在用于儲存電能的系統(tǒng)中的在電壓上顯著降低的蓄電池可能經(jīng)受極性反轉(zhuǎn)，這也顯著地減少了操作壽命。
為了解決該問題，一般的現(xiàn)有技術基本上已知兩種不同類型的所謂電池電壓補償，其分別以集中方式或分散方式設置。在集中式電子系統(tǒng)中，所有的部件都結(jié)合在例如控制單元中，而在分散式配置的情形中，一個或兩個蓄電池中的各個部件附接至小印刷電路板，尤其是用于這些一到兩個的蓄電池的小印刷電路板。在這種情況中，一般使用的電池電壓補償?shù)男g語有些誤導，因為其不是在彼此間補償?shù)膯为毿铍姵氐碾妷海蚋_地說不是能量，而是具有高壓的電池相對于它們的過高電壓被降低。因為用于儲存電能的總電壓保持恒定，由于所謂的電池電壓補償而降低電壓的電池可隨著時間的推移再次在電壓上增加，以使至少極性反轉(zhuǎn)的可能性減小。
除了無源電池電壓補償(其中電阻器與每個單獨的蓄電池并聯(lián)轉(zhuǎn)接，并因此導致連續(xù)的不希望放電以及用于儲存電能的系統(tǒng)的發(fā)熱)，也使用有源電池電壓補償。此外，電子閾值開關與蓄電池并聯(lián)并與電阻器串聯(lián)轉(zhuǎn)接。該配置(也被稱為旁路電路)將僅當電池的操作電壓位于預定的閾值電壓之上時允許電流流過。一旦單獨蓄電池的電壓跌至預定的閾值電壓之下的范圍內(nèi)，開關將斷開并且將不再有電流流 動。因為當單獨蓄電池的電壓處在預定的極限值以下時由開關導致電阻去激勵，所以用于儲存電能的整個系統(tǒng)的不希望放電也可基本上避免。在有源電池電壓補償?shù)倪@個問題解決方案中，持續(xù)的不期望發(fā)熱發(fā)展也不再是問題。然而，通過有源電池電壓補償沒有在電池的各個電壓之間進行真實的補償。 相反，一旦超過閾值電壓，則蓄電池將以小的旁通電流放電，以便通過過電壓的緩慢降低來限制過量。旁通電流將僅流過持續(xù)一段時間直到用于儲存電能的系統(tǒng)再次放電為止，所述放電導致電壓跌至相應電壓閾值之下且開關再次斷開。
在混合動力驅(qū)動裝置，特別是用于商用車輛(例如城市和都市交通的公交車)的混合動力驅(qū)動裝置中，用于儲存電能的系統(tǒng)壽命是至關重要的。與適于這類應用的功率等級的傳統(tǒng)常規(guī)裝置相比，用于儲存電能的系統(tǒng)代表混合動力驅(qū)動裝置的相當一部分成本。那是為什么在這類應用中實現(xiàn)非常長的操作壽命特別重要。
除了提到的單獨蓄電池的操作電壓在充電/放電循環(huán)中可能意外地超過閾值電壓的事實，蓄電池的操作溫度是另一參數(shù)，所述另一參數(shù)相關地影響操作壽命。雙層電容器的操作壽命強烈地依賴于操作溫度和施加的電壓。對于單獨的蓄電池具有不同的有效冷卻可能性，尤其是當在混合動力車輛的操作期間使用能量儲存系統(tǒng)時。例如，已經(jīng)冷卻其他蓄電池或模塊的冷卻空氣到達一些蓄電池或模塊。因為蓄電池串聯(lián)轉(zhuǎn)接，所以串聯(lián)轉(zhuǎn)接的蓄電池運載相同的電流并因此產(chǎn)生每個蓄電池相同的散熱。由于關于蓄電池冷卻的具有不可避免的差異，因此蓄電池之間將具有不同的溫度。
本發(fā)明的目的是提供一種用于儲存電能的系統(tǒng)，該系統(tǒng)提供最長的可能操作壽命和低故障概率。
該目的由具有獨立權(quán)利要求特征的系統(tǒng)和方法實現(xiàn)。本發(fā)明的其他實施方式在從屬權(quán)利要求中提供。
根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)提供了這樣的優(yōu)點，即強烈依賴于溫度的蓄電池的操作壽命將被考慮。由于蓄電池在較高的溫度下將更迅速地老化，并因此導致整個儲存系統(tǒng)不起作用， 但大多數(shù)具有溫度歷史的蓄電池仍然以較低水平起作用，因此本發(fā)明規(guī)定實際上或據(jù)假定經(jīng)受較高溫度的電池的電壓將被賦予低電壓。這將例如通過降低相應電池的閾值電壓來實現(xiàn)。
在另外的情況下，單獨蓄電池的溫度差由單獨蓄電池的不同有效冷卻引起。例如， 部分蓄電池將被供給已經(jīng)被其他部分的蓄電池加熱的冷卻空氣。因為一個模塊的蓄電池串聯(lián)轉(zhuǎn)接，所以模塊的每個蓄電池產(chǎn)生近似相同的散熱。冷卻中不可避免的差異導致不同的蓄電池溫度。蓄電池的操作壽命強烈依賴于老化程度。在較高的溫度水平下操作的蓄電池將更迅速地老化并且在它們故障之后將導致模塊或儲存單元的總體故障，但是蓄電池在較低的溫度水平下仍起作用。
特別地，這與儲存系統(tǒng)的應用有關，其中大量的能量在短時間內(nèi)由蓄電池接收或供應。這發(fā)生在例如制動能量的回收中或例如在加速過程(升壓)期間。這些充電/放電循環(huán)導致大量廢熱的迅速釋放，由此蓄電池將發(fā)熱升溫。
在具有常規(guī)高功率需求的這類應用中，在高溫下(例如在容量減少以及內(nèi)部電阻的增加時)開始的老化效應會自增強(self-reinforcing)到高的程度,如發(fā)生在例如城市公交車的混合動力驅(qū)動裝置中的。隨著內(nèi)部電阻的上升，散熱進一步增加，這甚至會進一步加熱已 具有較高溫度的電池，并因此導致越來越快的老化。
根據(jù)本發(fā)明的解決方案解決了該問題，因為具有中間溫度的電池保持它們的中間電壓，具有較高溫度的電池被分配較低的電壓，且具有較低溫度的電池被分配較高的電壓。 模塊的電壓因此保持不變。
關于中間電池的所需電壓的降低和所需電壓的增加，例如從絕對溫度水平和/或蓄電池之間的溫度差獲得。
例如，賦予單獨蓄電池的溫度可通過每個蓄電池上的傳感器來確定。
本發(fā)明特別優(yōu)選的實施方式以這樣的方式獲得，S卩，賦予單獨蓄電池的溫度將從基于模型的計算來確定。將不會有對當前溫度的任何測量，因此防止了關于傳感器、電纜和評估的成本。相反，單獨蓄電池之間可能的溫度分布例如從所述配置的熱模型和模擬、從蓄電池的壽命模型和/或經(jīng)驗性地從測試來確定。因此，從蓄電池在模塊中的設置而獲得基本上可預測的溫度分布。例如，該溫度分布通過以下方式確定通過蓄電池在模塊內(nèi)的位置 (例如邊緣上的位置或中間的位置)蓄電池的位置確定，通過模塊相對于其他模塊的位置確定，通過上位模塊內(nèi)或相對于與熱輻射有關的其他組件的位置確定，或通過朝向蓄電池或由用于冷卻的空氣流的模塊的空氣流入方向確定?？諝饬饕部衫缬绍囕v的速度而產(chǎn)生。
可以有不同的策略來設定單獨電池的電壓值。
較低的電壓負載可以已經(jīng)事先針對預期具有高熱負載的蓄電池來選擇。因此直到達到相應電池溫度并且所述相應電池溫度通過降低電壓抵消該效應，人們才需等待。相反， 電壓水平總是設定為與期望的電池溫度相對應。
此外，溫度也可以基于當前的操作狀態(tài)，預期的操作情況和/或環(huán)境數(shù)據(jù)來確定。 當使用混合動力車輛中的儲存系統(tǒng)時，這些會包括城市中/或陸地上的行駛，冷卻功能，測量的外部溫度，使用地點的氣候高度等。因此，對單獨電池的老化不利的一系列的電壓和溫度可以這樣以甚至更好的方式抵消，且可以避免不可精確預測的老化過程。
蓄電池的不同電壓可通過設定點值實現(xiàn)，所述設定點值由控制單元提供給單獨電池的閾值開關的開關元件或控制輸入。例如可以使用CAN總線。
因此可實現(xiàn)所有電池高水平平穩(wěn)(even out)，這總體上導致優(yōu)化的操作壽命和儲存單元利用。
根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和/或方法的進一步的有利發(fā)展，可以參考附圖從以下更詳細描述的實施方式提供，附圖中


圖1示出了混合動力車輛的示例性配置。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的用于儲存電能的系統(tǒng)的實施方式的示意性說明。
圖1通過示例的方式示出混合動力車輛I。該混合動力車輛包括通過示例方式指示的具有兩個相應車輪4的兩個輪軸2、3。輪軸3是車輛1的驅(qū)動輪軸，而輪軸2將僅以已知的方式被帶動。傳動裝置5通過示例的方式示出為用于驅(qū)動輪軸3，其中傳動裝置從內(nèi)燃機6和電機7獲得功率，并輸送所述功率到驅(qū)動輪軸3的區(qū)域。在驅(qū)動情況下，要么單獨地要么在內(nèi)燃機6的驅(qū)動功率之外，電機可輸 送功率到驅(qū)動輪軸3的區(qū)域，或者所述電機也可支持車輛I的驅(qū)動。此外，電機7可在車輛I制動的期間作為發(fā)電機操作，以便回收制動期間產(chǎn)生的功率，并相應地儲存所述功率。當使用城市公交車作為車輛I時，為了也提供足夠的能含量以用于從較高速度制動的過程(所述較高速度在城市公交車的情形中肯定不超過大約70km/h)，該情形中需要提供系統(tǒng)10以用于儲存電能，所述電能具有350Wh到700Wh級別的能含量。因此，這也允許將能量轉(zhuǎn)接成電能(所述能量例如可以在持續(xù)大約10秒的制動過程中從通過通常位于大約150kW的級別內(nèi)的電機7產(chǎn)生的這種速度而獲得)，并允許在系統(tǒng)10中儲存這些能量。
為了觸發(fā)電機7，并為了對用于儲存電能的系統(tǒng)10充電和放電，根據(jù)圖1的配置包括反相器(inverter,逆變器)9，所述反相器以已知的方式設置有用于電能管理的集成控制裝置。具有集成控制的裝置的反相器9用于分別調(diào)節(jié)電機7與用于儲存電能的系統(tǒng)10之間的能量流?？刂蒲b置保證制動期間在電機7 (所述電機然后作為發(fā)電機操作)的區(qū)域中獲得的功率將在用于儲存電能的系統(tǒng)10中儲存到最高的可能程度，其中一般不可以超過系統(tǒng)10的預定電壓上限。在驅(qū)動的情況下，反相器9中的控制裝置調(diào)節(jié)從系統(tǒng)10提取的電能，以便在該反轉(zhuǎn)情形中通過所述提取的功率驅(qū)動電機7。除了這里描述的且例如可是城市公交車的混合動力車輛I之外，在純電動車輛中相似的配置也顯然是可能的。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的用于儲存電能的系統(tǒng)10的示意性截面視圖。不同類型的用于儲存電能的系統(tǒng)10大部分是可能的。這類系統(tǒng)10通常以這樣的方式設置，即多個蓄電池12通常在系統(tǒng)10中串聯(lián)轉(zhuǎn)接。這些蓄電池可以是蓄電器單元和/或超級電容器， 或者所述蓄電器單元和/或超級電容器的任何隨機組合。在這里示出的實施例中，蓄電池 12都是超級電容器，這意味著它們作為雙層電容器設置，所述雙層電容器在裝備有混合動力驅(qū)動的車輛I的用于儲存電能的系統(tǒng)10中使用。該配置可優(yōu)選地用于商用車輛,例如用于城市/都市交通的公交車。在該情形中，由于將有相當高的電流流動，因此通過具有非常高質(zhì)量的車輛的頻繁啟動和制動操作，超級電容器實現(xiàn)了電能儲存中的特別高的效率。
如上面已提到的，圖2示出了蓄電池12。附圖僅示出了三個串聯(lián)連接的蓄電池12。 在前述的實施例中以及在相應電動驅(qū)動功率約IOOkw到200kW的情況下(例如120kW的情形中)，在實際的配置中總計將有約150個到200個蓄電池12。如果這些蓄電池設置為每個超級電容器具有約2. 7V的當前電壓上限的超級電容器以及3000法拉的電容，則將提供用于城市公交車的混合動力驅(qū)動裝置的實際應用。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明構(gòu)想的實施例。用于儲存電力的系統(tǒng)10包括多個串聯(lián)轉(zhuǎn)接的蓄電池12。這些蓄電池組合在模塊13中。每個蓄電池12包括歐姆電阻器14形式的電氣設備，所述歐姆電阻器與相應的蓄電池12并聯(lián)轉(zhuǎn)接。所述電阻器14與開關元件16串聯(lián)并且與每個蓄電池12并聯(lián)地轉(zhuǎn)接。開關16設置為閾值開關。各個開關16具有控制輸入18。
每個控制輸入18通過具有總線系統(tǒng)20 (例如CAN總線系統(tǒng))的線連接。控制單元22連接到總線系統(tǒng)20?？刂蒲b置22也連接到總線系統(tǒng)20，發(fā)送信息到閾值開關16的控制輸入18，并因此使跳閘電壓(trip voltage)增加或減少，所述跳閘電壓是指閾值開關 16的閾值電壓。可由控制單元22影響的另一參數(shù)是閾值開關16的斷開時間。進一步，不僅可能通過總線系統(tǒng)20發(fā)送信息到控制輸入，而且還可能接收來自蓄電池12的數(shù)據(jù)?？蓮男铍姵?2查詢的數(shù)據(jù)可以例如關于蓄電池12的當前電壓。
可能的實施例規(guī)定了確定蓄電池12的電池溫度。在操作中，在圖2優(yōu)選實施例中， 控制單元從對于模塊或儲存單元內(nèi)的溫度分布的假設來確定蓄電池各自的溫度。假設可源自基于模型的計算，例如所述配置的熱模型，蓄電池的操作壽命模型和/或測試。
此外，控制單 元22知道模塊或儲存單元的總電壓，以及各個蓄電池12的電壓。優(yōu)選地，具有中間溫度的蓄電池12例如在系統(tǒng)10的操作中由控制單元22分配例如2. 5V的中間電壓。具有高溫的蓄電池12被分配較低的電壓，例如2. 42V。具有低溫的蓄電池12被分配較高的電壓，例如2. 55V。用于各個蓄電池12的不同電壓通過總線系統(tǒng)20由控制單元 22傳遞到閾值開關16的控制輸入18。通過該措施，用于例如混合動力驅(qū)動的系統(tǒng)10的電壓保持不變。因此實現(xiàn)所有蓄電池12的平`穩(wěn)老化，其總體上導致儲存單元10的操作壽命和利用最大化。
權(quán)利要求
1.一種用于儲存電能的系統(tǒng)(10)，包括具有操作電壓的多個蓄電池(12)，其中電負載(14)和串聯(lián)連接的開關元件(16)設置成與蓄電池(12)并聯(lián)，且其中當達到或超過閾值電壓時所述開關元件(16)閉合，其中所述系統(tǒng)(10)包括具有多個蓄電池(12)的至少一個模塊(13)，其特征在于，所述系統(tǒng)(10)包括控制裝置(22)，所述控制裝置適于分配溫度給各個蓄電池(12)并分配模塊電壓給所述模塊(13)，并且適于根據(jù)所分配的溫度影響所述各個蓄電池的閾值電壓同時保持所述模塊電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述控制裝置(22)從基于模型的計算來確定分配給所述蓄電池(12 )的溫度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所分配的溫度是所述蓄電池(12)的期望溫度，該溫度具體地與當前操作狀態(tài)、期望的操作情況和/或環(huán)境數(shù)據(jù)相關。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制裝置(22)確定所述模塊(13)的平均溫度和/或所述蓄電池(12)之間的溫度差。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述閾值電壓能夠通過所述控制裝置(22)的設定點值而改變。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述開關元件(16)在閉合之后保持閉合持續(xù)一特定時間段。
7.一種用于控制適于儲存電能的系統(tǒng)(10)的方法，所述系統(tǒng)包括設置在模塊(13)中并具有操作電壓的多個蓄電池(12)，其中電負載(14)以及與所述電負載串聯(lián)連接的開關元件(16)設置成與蓄電池(12)并聯(lián)，所述方法包括以下步驟 對所述蓄電池(12)充電； 確定所述模塊(13)的各個蓄電池(12)的溫度； 比較所確定的溫度； 降低具有高溫的蓄電池(12)中的操作電壓，并提高具有低溫的蓄電池(12)中的操作電壓，同時保持模塊電壓。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于儲存電能的系統(tǒng)，其包括具有操作電壓的多個蓄電池，其中電氣設備和與電器設備串聯(lián)的開關元件設置成與蓄電池并聯(lián)，且其中當達到或超過閾值電壓時開關元件閉合，其中所述系統(tǒng)包括具有多個蓄電池的至少一個模塊。本發(fā)明的特征在于所述系統(tǒng)包括控制裝置，所述控制裝置設計成將溫度與各個蓄電池關聯(lián)并將模塊電壓和模塊關聯(lián)，并根據(jù)相關的溫度來影響各個蓄電池的閾值電壓，同時保持模塊電壓。
文檔編號H02J7/00GK103053064SQ201180037678
公開日2013年4月17日 申請日期2011年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月31日
發(fā)明者康拉德·羅塞爾 申請人:沃依特專利有限責任公司