能量存储设备和具有能量存储设备的系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及能量存储设备、尤其具有用于任意静止的和移动的应用的模块化电池系统的能量存储设备，以及具有能量存储设备的系统。
【背景技术】
[0002]所呈现的是，在未来不仅在静止的应用、例如风力发电装置或者太阳能设备中而且在车辆、如混合动力车辆或者电动车辆中，增多地使用电子系统，所述电子系统将功率电子设备的元件集成到所述能量存储系统中。
[0003]多相电流到电机中的馈入通常通过脉冲逆变器形式的变换器实现。对此由直流电压中间电路提供的直流电压可以被变换成多相交流电压、例如三相交流电压。所述直流电压中间电路在此由支线馈电，所述支线由串行接线的电池模块或者任意直流电压源组成。
[0004]为了能够满足对于相应的应用所给定的功率和能量要求，多个电池模块或者电池单元经常在能量存储系统中串联。
[0005]多个电池模块的刚性串联引起以下问题:如果单个电池模块发生故障，那么整个支线发生故障。能量供给支线的这样的故障可能导致整个系统的故障。此外单个电池模块的暂时地或者永久地发生的功率降低可能导致在整个能量供给支线中的功率降低。
[0006]在出版物US 5，642，275 Al和US 6，969，967 B2中，具有集成逆变器功能的电池系统被描述。该类型的系统以名称级联多电平变换器(Cascaded Multilevel Inverter)或者也以电池直接变换器((Battery Direct Inverter)电池直接变换器，BDI)而公知。这样的系统在多个能量存储模块支线中包括直流电流源，所述能量存储模块支线可直接连接到电机或者电网上。在此单相或者多相供给电压可以被生成。所述能量存储模块支线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能量存储单元和所分配的可控耦合单元，所述可控耦合单元允许根据控制信号来中断相应的能量存储模块支线，或者跨接分别所分配的至少一个能量存储单元，或者将分别所分配的至少一个能量存储单元接入相应的能量存储模块支线中。通过合适地操控耦合单元，例如借助于脉冲宽度调制，还可以提供合适的相信号用于控制相输出电压，使得可以放弃单独的脉冲逆变器。用于控制相输出电压所需的脉冲逆变器因此可以说被集成到BDI中。
[0007]相比于传统的系统，BDI通常具有更高的效率和更高的故障安全性。所述故障安全性此外通过以下方式被保证，即有缺陷的、发生故障的或者不完全有效率的电池单元可以通过对親合单元的合适的跨接操控从能量供给支线断开(herausschalten)。能量存储模块支线的相输出电压可以通过相应地操控耦合单元被改变并且尤其有阶梯地被调整。输出电压的分级在此由单个能量存储模块的电压得出，其中最大可能的相输出电压通过能量存储模块支线的所有能量存储模块的电压的总和被确定。
[0008]出版物DE 10 2010 027 857 Al和DE 10 2010 027 861 Al例如公开具有多个电池模块支线的电池直接变换器，所述电池模块支线可直接地连接到电机上。
[0009]在此，所述能量存储模块支线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能量存储单元和所分配的可控耦合单元，所述可控耦合单元允许根据控制信号跨接分别所分配的至少一个能量存储单元，或者将分别所分配的至少一个能量存储单元接入相应的能量存储模块支线中。可选择地，所述耦合单元可以这样地构成，使得所述耦合单元附加地允许，将分别所分配的至少一个能量存储单元也以相反的极性接入相应的能量存储模块支线中，或者在分模块处也中断相应的能量存储模块支线并且同时跨接该分模块，或者也跨接分别所分配的至少一个能量存储单元。
[0010]为了调整能量存储模块的输出电压，可以以脉冲宽度调制(PffM)的方式操控耦合单元。由此可能的是，通过有针对性地改变接通时间或关断时间作为能量存储模块电压输出期望的平均值。
[0011]具有大数量耦合单元的BDI经常具有较高的导通损耗，其尤其在高负载电流的情况下降低BDI的效能。
[0012]因此存在需求、即用于具有模块化构造的能量存储设备的解决方案，其减少所需要的功率开关的数量，而可以不使用脉冲宽度调制操控方法，并且能够实现更灵活的充电操控策略。
【发明内容】
[0013]本发明根据一个方面实现能量存储设备，其被设计用于提供和/或接收η相电流和η相电压形式的电能，其中I。所述能量存储设备包括η个相，其中所述能量存储设备例如可以包括以星形连接或者三角形连接的三个相。所述相中的每一个均包括大量串联的能量存储模块。所述能量存储模块分别包括具有耦合模块端子的能量存储单元耦合模块和具有耦合元件的耦合设备，所述耦合元件被设计用于，将所述能量存储单元模块通过耦合模块端子选择性地接入相应的能量供给分支中或者在相应的能量供给分支中绕开所述能量存储单元模块。所述能量存储单元耦合模块中的每一个重又包括具有大量串联的能量存储单元分支模块的耦合模块支线，所述能量存储单元分支模块包括具有由能量存储单元分支耦合元件和至少一个能量存储单元组成的串联电路的能量存储单元分支，和与能量存储单元分支并联的旁路分支耦合元件。
[0014]根据另一方面，本发明实现一种系统，具有η相电机，其中n ^ I ;能量存储设备，所述能量存储设备被设计用于提供和/或接收η相电流和η相电压形式的电能，并且所述能量存储设备具有η个并联的能量供给分支，所述能量供给分支分别耦合在输出端子和参考电势汇流排之间，其中能量供给分支中的每一个均具有大量串联的能量存储模块。所述能量存储模块分别包括具有至少一个能量存储单元的能量存储单元模块，和具有耦合元件的耦合设备，所述耦合元件被设计用于，将所述能量存储单元模块选择性地接入相应的能量供给分支中或者跨接所述能量存储单元模块。所述系统此外包括η个相线，所述相线分别将能量存储设备的输出端子之一与η相电机的η个相端子中的各一个親合；和控制设备，其被设计用于执行按照本发明的方法。
[0015]发明优点
本发明的思想是，这样地构建模块化地构建的能量存储设备，使得耦合单元的数量可以被最小化。这通过以下方式实现，即能量存储设备的每个能量存储模块的能量存储单元模块在其侧以电池直接转换器拓扑(BDC)被构建。电池直接转换器拓扑就此而言意味着:各个能量存储模块的能量存储单元模块具有能量存储单元的串联电路，所述能量存储单元能够通过存储模块内部的所分配的耦合单元选择性地被接成串联电路，或者可以在该串联电路中被绕开。由此，所述能量存储设备具有分层级地构建的嵌套结构，其中大量BDC作为能量存储单元模块在BDI中被联接。能量存储模块中的每一个可以在其模块输出电压方面被改变，由此能量存储设备的能量供给支线的总输出电压的间隔尺寸可以明显更精细地被调整，而不动用各个能量存储模块的PWM操控。
[0016]这具有以下优点:硅耗费在能量存储单元的数量升高的情况下与公知的具有全桥电路的拓扑相比对于每个能量存储单元而言可以被减少。
[0017]此外有利地可以在类似的组件的基础上对于所述能量存储模块通过能量存储设备的合适的模块化的分层级的结构化实现几乎任意的输出电压和能量存储容量。
[0018]该拓扑的另一优点是通过在输出电压中的与额