用于能量存储系统的平衡充电状态的装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于平衡充电状态的装置和用于平衡充电状态的方法。
【背景技术】
[0002]为了给电组件供能，通常设置有蓄电器或功率存储器。这种蓄电器或功率存储器例如能够是提供电池电压的电池，或者电容器。为了达到期望的电压高度，电池通常连接成电池堆叠。在低伏应用场合中，电压高度通常设置为低于60伏，在高伏应用场合，电压高度通常设置为大于60伏，特别是大于100伏。高伏应用场合中的蓄能器例如能够设置用于为电机、例如机动车中的电动机供应能量。
[0003]特别是对于高伏应用场合，单个电池堆叠的电压通常不足够。为了实现更高的电压，特别是高伏电压，能够提出，多个电池堆叠用于为电组件、例如电动机供能。通常为此将多个电池堆叠串联成电池系统，待供给的电组件连接到电池系统。因此为电组件提供了各个电池堆叠处的电压之和。
[0004]由于可能不同的老化现象、制造公差和负载特性或者甚至不同的电池化学物质，电池堆叠能够具有相互不同的充电状态和不同的阻抗。这导致串联连接的电池堆叠在运行时不同程度地放电和充电，并且此时可能处于临界的充电状态。不同的充电状态通常利用所谓的充电状态平衡法、或者也称为平衡方法得以平衡。如果没有适当的平衡，就不能保护使用寿命地并且充分地利用全部被装载的电池能量，或者可能将就采取可能局限电池系统的可能运行范围的运行策略。
[0005]在现有技术中，目前主要采用所谓的耗散平衡方法(dissipativeBalancing-Verfahren)。在此，其充电状态最高的电池堆叠或电池单元通过以下方式放电，通过并联连接的电阻将该电池堆叠或电池单元的充电能转化为热量。也就是说，更强地充电的电池堆叠或电池单元的多余能量通过在欧姆平衡电阻中的损耗而降低。这种平衡方法通常由电池管理系统监控。
[0006]该耗散性的方法通常能效低，并且由于通过电池管理系统进行的大耗费的监控而具有高成本。此外证明为不利的是，通过对电池针对性地放电经由欧姆电阻产生废热，其不能在所有的运行点中有效地利用。此外，这有时候不是在每种运行状态中都能实现。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于，实现一种用于平衡充电状态的、高能效且成本低廉的装置以及方法，利用其能够实现保护使用寿命地且高效地使用电池系统。
[0008]根据本发明，该目的通过具有根据相应的独立权利要求的特征的装置和方法实现。本发明的优选的设计方案是从属权利要求、说明书和附图的内容。
[0009]根据本发明的装置用于平衡充电状态。该装置尤其用于针对性地控制充电状态。该装置包括:至少两个储能模块，其中在储能模块的每个处都施加储能模块电压；至少两个电压转换模块，其中各一个电压转换模块与储能模块中的各一个电连接成各一个子模块；电机，该电机与至少两个子模块电连接；和控制装置，该控制装置设计用于控制在子模块中的至少一个和电机之间的电能流。
[0010]换句话说，这意味着，各一个储能模块或者功率存储模块、例如电池堆叠和/或电容器与各一个电压转换模块连接成子模块。在每个子模块中，储能模块提供储能模块电压，其施加在所连接的电压转换模块处。因此，每个子模块形成了独立的模块化电压供给装置。唯一的电机、例如电动机连接到至少两个子模块处。在此，电机能够具有多个独立的绕组，其与相应的子模块连接。
[0011]控制装置现在控制在子模块中的至少一个和电机或者电机绕组之间的能量流、尤其是能量流的方向。因此能够提出，在电动机运行中为电机或者电机绕组输送通过各个子模块中的一个或者多个储能模块所提供的能量或功率。因此，这实现了从所连接的子模块中的至少一个到电机或者绕组的能量流。在发电机式运行中，电机或者绕组提供能量或者功率，其被输送给一个或者多个储能模块，以对储能模块进行充电。因此，也就是实现了从电机或者电机的绕组至子模块中的至少一个的能量流。通过控制装置对功率流进行监控、控制和同步，具有所属的电压转换模块的不同的电池堆叠能够在功率上有差别地运行-不仅电动机式地运行而且也发电机式地运行。特别地，储能模块能够不同地实施，即其能够是能够根据其属性来运行的不同的储能模块。因此，例如储能模块能够通过具有极其不同的属性和/或不同构造的其他储能模块来代替，只要维持确定的系统参数、例如电压又或者另外的对安全性重要的系统参数。因此，该装置能够特别灵活地设计。由此获得了这样的优点，即能够使用该装置，以便通过均匀地分配能量来防止功率存储器、例如电容器过压并进而防止损坏。附加地，通过该构造提高了系统可靠性。通过将冗余的相以子模块的形式来设计，即使在一个子模块失效时，整个系统也是继续有效的。这在当今的电池串联的系统中是不可能的，因为在电池故障的情况中整个系统都不能运作。
[0012]特别优选的是，控制装置设计用于如下地驱控子模块中的至少一个和/或电机，以使得电能流从至少两个储能模块中的第一储能模块引导至电机，并且从电机引导至至少两个储能模块中的第二储能模块。能量流也能够从至少两个储能模块的第一储能模块引导至电机的绕组，并且从电机的绕组引导至至少两个储能模块的第二储能模块。因此，电机或者至少一个绕组能够从储能模块获取功率，并且将该功率或者该功率的一部分输送给另外的储能模块。为了这种功率流同步，控制装置、例如子模块控制装置能够在软件方面如下地调整，即在平衡时由一个子模块输出的功率至少部分地由另外的子模块吸收。从一个电池堆叠到另一个电池堆叠的功率传递以特别高的效率实现，因为电池堆叠的过剩能量并未通过欧姆平衡电阻转换成损耗热量，而是作为功率输送给另外的电池堆叠。
[0013]在一个实施方式中提出，电机包括至少两个自给自足(autarke)的三相绕组；并且至少两个三相绕组中的各一个都与至少两个子模块中的一个电连接。在该实施方式中，电机实施为三相交流电机。为三相交流电机如下地供能，即三相交流电机的自给自足的、即彼此电分开的三相绕组中的每个与各一个子模块连接。因此，为每个三相绕组输送能量，该能量由所连接的子模块的储能模块提供。因此例如能够在高压应用场合中例如为三相交流电机供给能量。
[0014]特别有利的是，控制装置设计用于如下地驱控子模块中的至少一个和/或电机，使得电能流至少部分地从子模块中的第一子模块经过至少两个三相绕组中的第一三相绕组、从第一三相绕组引导至至少两个三相绕组中的第二三相绕组，并且从第二三相绕组引导至第二子模块。电机在此用作三相变压器。为此不需要附加的电池平衡系统。为此，经由电动机的三相绕组将能量从储能模块馈送到电动机中，并且将该能量或者能源量经由相同的电动机的其他三相绕组排出到第二储能模块中-而在所涉及的储能模块之间不进行电连接。由此，电能有效地不转换成机械能的形式，而是平衡了在两个电池堆叠之间的充电状态，而不必为此使用附加的电路。然而也能够提出，从第一储能模块获取的能量只有一部分输回到第二储能模块中。剩余的能量能够随后继续用于三相交流电机的电动机运行。此夕卜，通过经由电动机绕组的、在具有多于两个自给自足的三相绕组的电动机的