用于确定能量存储装置的能量存储电池的充电状态的控制装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于确定能量存储装置、尤其是具有模块化的电池组系统的能量存储装置的能量存储电池的充电状态的控制装置和方法。
【背景技术】
[0002]呈现出，今后不仅在诸如风力设备或太阳能设备的静止应用中，而且在如混合动力或电动车辆的车辆和船舶中，增加地使用将新型能量存储技术与电驱动技术相组合的电子系统。
[0003]多相电流到电机中的馈送通常通过脉冲逆变器形式的变流器来实现。对此可以将由直流电压中间回路所提供的直流电压变换为多相交流电压，例如三相交流电压。该直流电压中间回路在此由串联的电池组模块构成的支路来馈电。为了能够满足针对相应的应用所给出的对功率和能量的要求，通常将多个电池组模块在牵引电池组中串联。
[0004]多个电池组模块的串联电路引起如下的问题，即如果唯一的电池组模块失效，那么整个支路就失效。能量供应支路的这样的失效可能导致总系统的失效。另外，单独的电池组模块的暂时或永久出现的功率下降可能导致整个能量供应支路中的功率下降。
[0005]在文献US 5 642 275 Al中描述了一种具有集成的逆变器功能的电池组系统。这样的系统以多级级联逆变器或者电池组直接逆变器(电池组直接变流器，BDI)的命名而已知。这样的系统在多个能量存储模块支路中包括直流源，其中所述能量存储模块支路可以直接连接到电机或电网上。在此可以产生单相或多相供电电压。能量存储模块支路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电池组电池和所分配的可控耦合单元，该耦合单元允许根据控制信号来断开相应的能量存储模块支路、或者跨接分别被分配的至少一个电池组电池、或者将分别被分配的至少一个电池组电池接入到相应的能量存储模块支路中。通过例如借助脉宽调制合适地控制耦合单元，还可以提供合适的相位信号以控制相输出电压，使得可以放弃单独的脉冲逆变器。为了控制相输出电压所需的脉冲逆变器因此可以说是被集成到BDI中。
[0006]BDI相对于常规的系统通常具有更高的效率和更高的故障安全性。故障安全性此外通过如下来保证，即可以通过合适地跨接控制耦合单元将失效的、故障的或欠功率的电池组电池从能量供应支路中切断。能量存储模块支路的相输出电压可以通过相应地控制耦合单元而被改变，并尤其是分级地被调节。输出电压的分级在此由单个能量存储模块的电压来得出，其中最大可能的相输出电压通过能量存储模块支路的所有能量存储模块的电压之和来确定。
[0007]文献DE10 2010 027 857 Al 和 DE 10 2010 027 861 Al 例如公开了具有多个电池组模块支路的电池组直接逆变器，其中所述电池组模块支路可以直接连接到电机上。
[0008]能量存储模块支路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电池组电池和所分配的可控耦合单元，该耦合单元允许根据控制信号来跨接分别被分配的至少一个电池组电池，或者将分别被分配的至少一个电池组电池接入到相应的能量存储模块支路中。可选地，耦合单元可以被构造，使得其附加地允许将分别被分配的至少一个电池组电池也以相反的极性接入到相应的能量存储模块支路中，或者也将相应的能量存储模块支路切断。
[0009]为了调节能量存储模块的输出电压，可以对耦合单元进行脉宽调制(PWM)控制。由此可以通过有目的地改变接通时间以及断开时间来输出所期望的平均值作为能量存储模块电压。
[0010]在应用于电运行的车辆、诸如电动汽车或混合动力车辆中时，希望精确地了解电池组电池的充电状态，以便能够保证BDI的最佳控制。对于在确定的持续时间上不被使用的电池组电池，可以通过测量静止电压(也称为静止端子电压、空转电压或OCV (“OpenCircuit Voltage，开路电压”))，而相对精确地确定充电状态，因为在静止电压与充电状态之间的关系尤其是在锂离子蓄电池中是明确已知的。
[0011 ] 在电池组电池运行中，例如在电运行的车辆的电驱动系统中持续运行中，通常不能直接地确定静止电压。因此在所述情况下采用充放电平衡方法，即检测电池组电池的电压和电流，以便由此确定从电池组电池获得的电荷。替代地，也可以采用由文献DE 10 2010050 980 Al已知的方法，以便在运行电动车辆期间来校准静止电压特征曲线。
[0012]因此需要一种方法，以在长期使用的电池组系统中可靠并且精确地确定充电状态。
【发明内容】
[0013]根据一个方面，本发明创造一种用于确定能量存储装置的能量存储电池的充电状态的方法，其中该能量存储装置具有串联在至少一个能量供应分支中的多个能量存储模块，所述能量存储模块分别包括:具有至少一个能量存储电池的能量存储电池模块，以及具有耦合元件的耦合装置，所述耦合元件被设计用于将能量存储电池模块有选择地接入到相应的能量供应分支中，或从相应的能量供应分支绕行。该方法包括以下的步骤:选择能量存储装置的能量供应分支的能量存储模块的第一部分，控制能量供应分支的未被选择的能量存储模块的耦合装置以便将相应的能量存储电池模块接入到能量供应分支中，控制能量供应分支的能量存储模块的第一部分的耦合装置以便在预定的第一时间段上在该能量供应分支中跨接相应的能量存储电池模块，以及在所述预定的第一时间段结束之后检测能量存储模块的第一部分的能量存储电池的静止电压。
[0014]根据另一方面，本发明创造一种用于确定能量存储装置的能量存储电池的充电状态的控制装置，该能量存储装置具有串联在至少一个能量供应分支中的多个能量存储模块，其中该控制装置被设计用于执行根据本发明的方法。
[0015]根据另一方面，本发明创造一种电能供应系统，其具有能量存储装置，该能量存储装置具有串联在至少一个能量供应分支中的多个能量存储模块，所述能量存储模块分别包括:具有至少一个能量存储电池的能量存储电池模块，以及具有耦合元件的耦合装置，所述耦合元件被设计用于有选择地将能量存储电池模块接入到相应的能量供应分支中或对能量存储电池模块进行跨接；并且该电能供应系统具有根据本发明的控制装置，该控制装置与该能量存储装置相耦合。
[0016]本发明的优点
本发明的构思是，在模块化构造的具有串联在一个或多个能量供应分支中的电池组电池的能量存储装置中在该能量存储装置持续运行期间也能够实现各个电池组电池的静止电压的确定。对此，为了产生一个或多个能量供应分支的输出电压，分别仅考虑在相应的能量供应分支中可用的能量存储模块的一部分。其余部分至少在第一预定的时间段上从该能量供应分支中去耦合，使得在要测量的能量存储模块处于不负载状态的所述第一预定的时间段之后，能够调节能量存储模块的其余部分中的静止电压。在第一预定的时间段结束之后，可以精确并且可靠地测量能量存储模块或其电池组电池的静止电压。
[0017]这具有以下优点，即在持续运行中也可以确定能量存储电池的静止电压，而不用中断或影响电能供应系统的运行，在该电能供应系统中采用能量存储装置。尤其是在基于陆地或基于水的车辆、诸如电动汽车或船舶的电驱动系统中，这是有利的。
[0018]另外，能够有利的是，通过静止电压测量而显著地更加精确并且更可靠地执行充电状态确定。由此出于安全性原因而预留的容量储备可以明显更小地失效，这致使成本和构造空间的节省。
[0019]另外，存在以下优点，即不需要额外的组件或电路部分。在特定的情况下，也可以完全放弃昂贵的通过充电平衡方法而进行的充电状态确定。在此所描述的方法和系统不仅适用于能量存储装置的放电运行，而且适用于能量存储装置的充电运行。
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