具有電池控制件的電池系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】公開一種用于向多個(gè)負(fù)載消耗裝置提供相應(yīng)的多個(gè)電壓水平的電池系統(tǒng)(10)，具有：至少一個(gè)具有多個(gè)電池元件(1，2，24，n)的電池(9)；調(diào)節(jié)或控制單元(12)；以及帶有至少一個(gè)切換元件(6)的切換單元(3)，該調(diào)節(jié)或控制單元(12)被配置成用于指令該切換單元(3)隨著時(shí)間動態(tài)地切換該至少一個(gè)切換元件(6)而使得該多個(gè)電池元件(1，2，24，n)的至少一個(gè)相應(yīng)地動態(tài)變化的子集中的多個(gè)電池元件(1，2，24，n)實(shí)現(xiàn)連接，并且由此向該多個(gè)負(fù)載消耗裝置提供所要提供的對應(yīng)電壓水平。除了提供多個(gè)電壓水平之外，這些電池元件(1，2，24，n)還被有意地加載。本發(fā)明還涉及對這種電池系統(tǒng)(10)的調(diào)節(jié)或控制(30)。
【專利說明】
具有電池控制件的電池系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明總體上涉及一種用于供電應(yīng)用的電池系統(tǒng)并且具體涉及一種用于車輛的電氣系統(tǒng)中的電池系統(tǒng)、并且涉及對該電池系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和控制。
【背景技術(shù)】
[0002]具有內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的常規(guī)機(jī)動車輛針對控制裝置和其他電氣單元使用了例如具有大約12伏(V)電壓的至少一個(gè)低電壓車輛電氣系統(tǒng)。由于供電要求越來越高，所以目前在商用車輛和最新型號的機(jī)動車輛中建立了在大約48V左右的較高電壓水平。
[0003]在包括電動混合動力車輛和電池電動車輛在內(nèi)的電動車輛中，這樣的低電壓一般不足以向電氣驅(qū)動器供電。為此原因，該電氣驅(qū)動器被供以目前通常高達(dá)400V的電壓。400V的電壓一般是由所謂的高電壓儲存器(通常為處于一定數(shù)量的二級電池單元的形式而不限制一般性的電池)提供。在這種情況下，通常并不更換用于其他電氣負(fù)載的低電壓車輛電氣系統(tǒng)。然而，適當(dāng)?shù)氖侵辽俨糠值赜脕碜愿唠妷簝Υ嫫鞯哪芰縼砉?yīng)或支持它，以便減少或完全省去車輛電氣系統(tǒng)中的其他能量儲存器，例如電容器或電池。此外，能量還可以從一個(gè)或多個(gè)車輛電氣系統(tǒng)傳輸至高電壓側(cè)，以便例如在空電池的情況下實(shí)現(xiàn)所謂的應(yīng)急運(yùn)行(跛行)的能力，也就是說仍使得車輛能夠前行至下一個(gè)可能充電的地點(diǎn)、或者在混合動力車輛的情況下經(jīng)由電動機(jī)器來啟動內(nèi)燃發(fā)動機(jī)。
[0004]在電氣商用車輛、跑車和賽車中，情形更加困難。用400V和更低電壓的高電壓水平只能以高的損失來提供大于250千伏安(kVA)的電驅(qū)動功率。在這樣的車輛中，是以更高電壓、例如800V或1200V來進(jìn)行運(yùn)行的。然而，迄今為止在車輛構(gòu)造中還沒有建立或標(biāo)準(zhǔn)化這些電壓。為此原因，并非車輛的所有所需電氣負(fù)載都是在這個(gè)電壓水平下可用的或者是與之兼容的。對于某些裝置，這樣的高電壓也從根本上不是最佳的或者出于安全原因不是所推薦的。相應(yīng)地不可以用這個(gè)增大的高電壓的電氣負(fù)載必須相應(yīng)地要么在這些低電壓車輛電氣系統(tǒng)之一上運(yùn)行，前提是它們的高功率要求不與此相悖，要么甚至以額外的電壓水平運(yùn)行。這個(gè)額外的電壓水平在此情況下同樣是借助于電壓轉(zhuǎn)換器用來自其他現(xiàn)有電壓水平之一的能量來供應(yīng)的。
[0005]在車輛中電壓水平數(shù)量的增多和電氣負(fù)載功率要求的增大需要成本密集的電壓轉(zhuǎn)換器以用于能量交換。此外，這樣的電壓轉(zhuǎn)換器增加了車輛重量。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)能夠通過使用電壓轉(zhuǎn)換器(具體地DC-DC轉(zhuǎn)換器)來從單獨(dú)的電壓水平供應(yīng)出這些不同的電壓水平、或者在這些電壓水平之間交換能量。這樣的DC-DC轉(zhuǎn)換器不利地具有低于百分之百的效率，其結(jié)果是要傳送的功率必須保持盡可能低，以便減小損失。
[0007]此外，這樣的DC-DC轉(zhuǎn)換器必須是針對預(yù)期的峰值功率來設(shè)計(jì)的。這種設(shè)計(jì)大大影響了DC-DC轉(zhuǎn)換器的重量、安裝空間和成本。此外，還影響了平均效率。如果預(yù)期的峰值功率遠(yuǎn)高于平均功率，則該轉(zhuǎn)換器的平均效率大大降低，因?yàn)閬碜袁F(xiàn)有技術(shù)的DC-DC轉(zhuǎn)換器普遍在部分負(fù)載范圍內(nèi)具有高損失。為此原因，通過DC-DC轉(zhuǎn)換器來對高功率的、另外還僅是偶爾才會運(yùn)行的負(fù)載(例如空調(diào)壓縮機(jī))供電的實(shí)踐是極其不利的。
[0008]為了同樣允許負(fù)載在由DC-DC轉(zhuǎn)換器供應(yīng)的電壓水平下具有高的波動性，需要一種大且可受載的緩沖器，例如低阻抗電池，或者極其快速的調(diào)節(jié)以及在DC-DC轉(zhuǎn)換器中開關(guān)的高切換速率，但是這種方式可能對于效率具有不利的影響。這兩個(gè)替代方案都導(dǎo)致車輛成本增加。
[0009]此外，DC-DC轉(zhuǎn)換器并非必須為雙向的，也就是說它們不必允許兩個(gè)方向上的能量流動、而是必須在希望時(shí)有意地具備這樣的功能性。這個(gè)步驟限制了對可能的電路或成品裝置的選擇并且一般造成額外的成本。
[0010]為了減小電動車輛在常規(guī)交流電或三相電流情況下的長充電時(shí)間，在現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)建立了用經(jīng)調(diào)制的DC電壓或直流電對電池直接充電的實(shí)踐[Y.Du，S.Lukic，B.Jacobson,A.Huang(2011),Review of high power isolated b1-direct1nal DC-DCconverters for phev/ev DC charging infrastructure(用于phev/ev DC充電架構(gòu)的高功率絕緣雙向 DC-DC 轉(zhuǎn)換器綜述)，IEEE ECCE, 553-560 ；M.Yilmaz, P.T.Krein( 2013),Review of Battery Charger Topologies,Charging Power Levels,and Infrastructurefor Plug-1n Electric and Hybrid Vehicles(電池充電器技術(shù)、充電功率水平、以及用于插電式電動車輛和混合動力車輛的架構(gòu)綜述)，IEEE Transact1ns on PowerElectronics,28(5):2151-2169]ο
[0011]在現(xiàn)有技術(shù)的車輛中，車輛一般對充電系統(tǒng)提供了與高電壓電池的端子的直接連接，其結(jié)果是該充電系統(tǒng)能以電流受控的和/或電壓受控的方式用非常高的電流對該高電壓電池進(jìn)行充電。由于與電池的幾乎直接連接(其中充電電能不經(jīng)轉(zhuǎn)換)，就可以繞過典型轉(zhuǎn)換功率電子充電電路(例如DC-DC轉(zhuǎn)換器或經(jīng)調(diào)制整流器，其半導(dǎo)體和磁部件由于受熱而具有嚴(yán)格的電流限制)的限制。因此有可能用更高的電流進(jìn)行快得多的充電。同時(shí)，可以避免非常重的、龐大的并且成本密集的功率電子充電電路，并且因此可以減小車輛重量。此夕卜，可以在該DC電壓充電系統(tǒng)中進(jìn)行充電調(diào)節(jié)。
[0012]然而，現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)建立的是上至最大400V的DC電壓充電。因此，使用提供DC電壓充電系統(tǒng)的現(xiàn)有充電站僅能對具有更高電池電壓的未來車輛進(jìn)行部分充電或根本不能充電。與現(xiàn)有充電基礎(chǔ)設(shè)施不兼容的這樣的車輛對于制造商而言可能是無銷路的。
[0013]使用來自現(xiàn)有技術(shù)的、將直流電或來自DC電壓充電系統(tǒng)的DC電壓適配成車輛的自身電池電壓的DC-DC轉(zhuǎn)換器具有眾多缺點(diǎn)。由于目前大于150千瓦(kW)的極其高的充電功率，這樣的DC-DC轉(zhuǎn)換器將是空間上非常巨大的并且由于目前不能集成的磁部件(例如線圈和變壓器)而將是非常重且成本密集的。由于DC-DC轉(zhuǎn)換器必須針對相應(yīng)車輛中的電池來單獨(dú)設(shè)計(jì)，因此它很有可能是安裝在該車輛中的并且因此進(jìn)一步使得電動車輛的極其高的重量增加、并且限制了里程。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，所要求的、將根據(jù)切換轉(zhuǎn)換原理進(jìn)行轉(zhuǎn)換的極高的功率將導(dǎo)致發(fā)射可觀的電磁干擾，這可能比車輛中的DC-DC轉(zhuǎn)換器中目前已知的干擾高出至少兩個(gè)量級。
[0014]由于DC電壓充電系統(tǒng)還采取與高電壓電池端子的直接連接，因此對電壓進(jìn)行適配的這樣的DC-DC轉(zhuǎn)換器將一方面必須執(zhí)行對電池的充電調(diào)節(jié)、但另一方面必須對DC電壓充電系統(tǒng)模擬具有減小的電壓的電池。這樣的DC-DC轉(zhuǎn)換器需要復(fù)雜的調(diào)節(jié)并且目前在現(xiàn)有技術(shù)中尚未建立。
[0015]文件US2009/0079384描述了一種系統(tǒng)，經(jīng)由一種類型的切換矩陣，該系統(tǒng)將電池模塊全都串聯(lián)地或并聯(lián)地表示出并且在此情況下好似一種Marx轉(zhuǎn)換器。這個(gè)解決方案一方面不利地需要非常大量的開關(guān)、并且另一方面后者必須是雙向的。然而，雙向開關(guān)僅能用高的花費(fèi)實(shí)施成半導(dǎo)體開關(guān)。具體而言，這些開關(guān)必須針對最大電池電壓進(jìn)行設(shè)計(jì)并且必須能夠?qū)⒑笳邤嚅_。
[0016]文件US2012/0007557提出了一種系統(tǒng)，其中電池是例如作為多個(gè)電池元件的串聯(lián)電路來充電的、但是作為并聯(lián)電路來放電的，這是通過對于在運(yùn)行期間不可變的連接器或其他裝置進(jìn)行相應(yīng)地設(shè)計(jì)而實(shí)現(xiàn)的。
[0017]文件US 4,818,928描述了一種由兩個(gè)電池元件組成的電池，其中這兩個(gè)電池可以是借助于電氣開關(guān)串聯(lián)地或并聯(lián)地連接的并且可以連接到負(fù)載。
[0018]在文件US 2012/0091731中描述了使多個(gè)電池元件工作、并將其均勻地加載和充電的一種可能。所述文件描述了一種電池充電系統(tǒng)，該電池充電系統(tǒng)在驅(qū)動電氣負(fù)載期間的串聯(lián)電路與充電操作期間的并聯(lián)電路之間控制安排成多個(gè)電池組的多個(gè)電池的安排。
[0019]文件US2012/0200242提出了一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)借助于適當(dāng)?shù)那袚Q而使之有可能使用兩個(gè)專用電池通過改變電池來針對負(fù)載動態(tài)地設(shè)定電壓的極性。盡管如此，它不能產(chǎn)生具有絕對值電壓、并且具體地不能產(chǎn)生除了所用電池的這兩個(gè)電壓之外的任何電壓。
[0020]文件US 2013/0127400披露了車輛中兩個(gè)電池(一個(gè)主電池和一個(gè)輔助電池)的并聯(lián)運(yùn)行，該輔助電池短期供應(yīng)一個(gè)或多個(gè)負(fù)載而該主電池能夠經(jīng)由電壓轉(zhuǎn)換器(例如DC-DC轉(zhuǎn)換器)來對該輔助電池進(jìn)行再充電。這兩個(gè)電池不能進(jìn)行組合并且必須求助于切換轉(zhuǎn)換來產(chǎn)生除這些電池的電壓之外的電壓水平。沒有提供能實(shí)現(xiàn)這種操作的電子電路。
[0021]文獻(xiàn)中的多個(gè)發(fā)明描述了用于在一個(gè)電池的多個(gè)部分(一般來講是電池的不同電池單元)之間進(jìn)行電量交換以便以較低的損失來對電量差異進(jìn)行補(bǔ)償?shù)碾娐贰＠?，文件US5,710,504和US 6，064，178以及!1.-5.?&4，(:.4.燈111，(:.-!1.燈111，6.-￥.]\10011，了.-!1.1^6的公開案[(2009)，A modularized charge equalizer for an hevlithium-1on batterystring, IEEE Transact1ns on Industrial Electronics(用于hev裡離子電池串的模塊化電荷均衡器)，56(5): 1464_1476]and Einhorn et al.[M.Einhorn,ff.RoessIer,J.Fleig(2011), Improved performance of serially connected L1-1on batteries withactive cell balancing in electric vehicles(電動車輛中具有主動電池單元平衡的串聯(lián)鋰.離子電池的改進(jìn)性能)，IEEE Transact1ns on Vehicular Technology,60(6):2448-2457]各自描述了通過使用儲存元件、例如電容或電感來在一個(gè)電池的多個(gè)部分之間進(jìn)行電量交換的不同系統(tǒng)。
[0022]然而，這些來自現(xiàn)有技術(shù)的文件均未提供一種以使得可以去除或供應(yīng)高電功率的方式從電池產(chǎn)生至少一個(gè)其他電壓水平的解決方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0023]本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠控制其多個(gè)電壓水平和/或?qū)碜愿唠妷耗芰績Υ嫫鞯碾妷杭右越祲骸?br>[0024]根據(jù)本發(fā)明，這個(gè)目的是通過一種具有下述I的特征的電池系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明還提供一種具有下述16的特征的電池控制件。下述2-15和17-18為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案。
[0025]1.—種用于向多個(gè)負(fù)載消耗裝置提供相應(yīng)的多個(gè)電壓水平的電池系統(tǒng)(10)，該電池系統(tǒng)具有:至少一個(gè)具有多個(gè)電池元件(I，2，24，n)的電池(9);調(diào)節(jié)或控制單元(12);以及，帶有至少一個(gè)切換元件(6)的切換單元(3)，該調(diào)節(jié)或控制單元(12)被配置成用于指令該切換單元(3)隨著時(shí)間動態(tài)地切換該至少一個(gè)切換元件(6)，從而使得該多個(gè)電池元件(I，2，24，η)的至少一個(gè)相應(yīng)地動態(tài)變化的子集中的多個(gè)電池元件(I，2，24，η)實(shí)現(xiàn)連接，并且由此向該多個(gè)負(fù)載消耗裝置提供所要提供的對應(yīng)電壓水平。
[0026]2.如上述I所述的電池系統(tǒng)(1)，其中對應(yīng)的所述電池元件(I，2，24，η)能通過實(shí)現(xiàn)至少一個(gè)預(yù)先限定的調(diào)節(jié)目標(biāo)來被有意地加載。
[0027]3.如上述I或2所述的電池系統(tǒng)(10)，其中能夠?qū)υ摱鄠€(gè)負(fù)載消耗裝置中的每一個(gè)提供不同的電壓水平，該對應(yīng)的負(fù)載消耗裝置是針對該電壓水平來設(shè)計(jì)和配置的。
[0028]4.如上述I至3之一所述的電池系統(tǒng)(10)，其中該電池(9)和/或該多個(gè)電池元件(I，2，24，η)具有至少一個(gè)額外的電池分接點(diǎn)(7)，該電池分接點(diǎn)安排在該電池(9)和/或?qū)?yīng)的電池元件(I，2，24，η)的正極(8+)與負(fù)極(8-)之間并且能與其他額外的電池分接點(diǎn)(7)進(jìn)行組合并且能用于提供部分電壓，該部分電壓與該電池(9)在該正極(8+)與該負(fù)極(8-)之間所能提供的總電壓不同，該正極(8+)和該負(fù)極(8-)本身相應(yīng)地形成了一個(gè)電池分接點(diǎn)，其結(jié)果是該電池(9)具有至少三個(gè)電池分接點(diǎn)(7，8+，8_)。
[0029]5.如上述4所述的電池系統(tǒng)(10)，其中該調(diào)節(jié)或控制單元(12)被配置成用于指令該切換單元(3)來切換所述切換元件(6)并且由此使得該多個(gè)電池元件(I，2，24，η)以被有意地加載的方式在所述電池分接點(diǎn)(7，8+，8_)之間來回切換。
[0030]6.如上述5所述的電池系統(tǒng)(10)，該電池系統(tǒng)針對在該電池(9)的該正極(8+)與該負(fù)極(8-)之間的至少一對輸出端子(4)具有至少一對額外的輸出端子(5)，這對額外的輸出端子(5)提供的電壓至少間或地與該電池(9)在該正極(8+)與該負(fù)極(8-)之間所能提供的總電壓不同。
[0031]7.如上述6所述的電池系統(tǒng)(10)，其中至少一對輸出端子(4，5，5-1，5-2)具有至少一個(gè)切換元件(6)，該至少一個(gè)切換元件交替地將該至少一對輸出端子(4，5，5-1，5-2)電連接至所述電池分接點(diǎn)(7，8+，8_)的至少兩個(gè)不同組合上、或者根據(jù)其切換方向來將所述對斷開連接。
[0032]8.如上述7所述的電池系統(tǒng)(10)，其中該調(diào)節(jié)或控制單元(12)被配置成用于指令該切換單元(3)以使得至少一對輸出端子(4，5，5-1，5-2)以電連接至不相同的至少兩對電池分接點(diǎn)(7，8+，8_)上、或者與之?dāng)嚅_連接的方式來切換該至少一個(gè)切換元件(6)。
[0033]9.如上述7和8之一所述的電池系統(tǒng)(10)，其中額外的不同的至少兩對輸出端子(5，5-1，5-2)經(jīng)由該至少一個(gè)切換元件(6)而連接至電池分接點(diǎn)(7，8+，8-)的一個(gè)相關(guān)聯(lián)的不相同的組對集合。
[0034]10.如上述7至9之一所述的電池系統(tǒng)(10)，該電池系統(tǒng)被配置成用于向至少一對輸出端子(4，5，5-1，5-2)提供多個(gè)電壓水平，且該電池系統(tǒng)能夠在該多個(gè)電壓水平之間間或地改變。
[0035]11.如上述I至10之一所述的電池系統(tǒng)(10)，其中該至少一個(gè)切換元件(6)是半導(dǎo)體切換元件或整流元件(14)。
[0036]12.如上述4至10之一所述的電池系統(tǒng)(10)，其中所述電池分接點(diǎn)(7，8+，8_)將該電池(9)加以再劃分，其方式為使得每個(gè)電池元件(I，2，24，η)以同樣的頻度被不同的多對電池分接點(diǎn)(7，8+，
[0037]8-)包圍。
[0038]13.如上述4至12之一所述的電池系統(tǒng)(10)，其中，該調(diào)節(jié)或控制單元(12)被配置成用于指令該切換單元(3)以小于100赫茲(Hz)的轉(zhuǎn)換速率在所述電池分接點(diǎn)(7，8+，8_)的不同組合之間轉(zhuǎn)換。
[0039]14.如上述13所述的電池系統(tǒng)(10)，其中，該調(diào)節(jié)或控制單元(12)被配置成用于指令該切換單元(3)以小于I赫茲(Hz)的轉(zhuǎn)換速率在電池分接點(diǎn)(7，8+，8-)的不同組合之間轉(zhuǎn)換。
[0040 ] 15.如以上1-14之一所述的電池系統(tǒng)(I O )，該電池系統(tǒng)具有影響電流流動和/或所提供的電壓的另外多個(gè)電氣和/或電子元件和/或子組件(13，16，19，20，22，23)。
[0041 ] 16.—種用于控制至少一對輸出端子(4，5，5-1，5-2)與多個(gè)電池分接點(diǎn)(7，8+，8_)的至少一個(gè)組對之間的連接的電池控制件(30)，該電池控制件具有帶有至少一個(gè)調(diào)節(jié)器
(25)的至少一個(gè)調(diào)節(jié)或控制單元(12)，并且該電池控制件通過對多個(gè)電池分接點(diǎn)(7，8+，8_)的這些組對的電壓的加權(quán)線性組合來對由該至少一對輸出端子(4，5,5-1,5-2)所要提供的電壓加以近似，該電池控制件(30)在多個(gè)電池分接點(diǎn)的這些組對之間隨著時(shí)間動態(tài)地改變;并且該電池控制件控制多個(gè)切換元件(6)處在使該至少一對輸出端子(4，5，5-1，5-2)與這些電池分接點(diǎn)(7，8+，8-)相連的位置中的臨時(shí)駐留時(shí)長(36)。
[0042]17.如上述16所述的電池控制件(30)，該電池控制件將處于多個(gè)電池分接點(diǎn)(7、8+、8_)的、在一對輸出端子(4，5)與相關(guān)聯(lián)的多對電池分接點(diǎn)(7，8+，8_)之間相對應(yīng)的切換組對組合中的一部分臨時(shí)駐留時(shí)長(36)用作加權(quán)因子(miJ)。
[0043]18.如上述16或17所述的電池控制件(30)，其中如果存在欠定的線性組合，則該電池控制件優(yōu)化另外一個(gè)次要條件并且實(shí)現(xiàn)至少一個(gè)另外的調(diào)節(jié)目標(biāo)。
[0044]在本發(fā)明的范圍之內(nèi)，術(shù)語“電池系統(tǒng)”應(yīng)理解為是指以下電路:該電路具有至少一個(gè)電池并且具有對該電路的調(diào)節(jié)和/或控制。
[0045]術(shù)語“電池”應(yīng)理解為是指任何形式的電能儲存器、電能來源、可再充電電池、原電池或原電池元件以及互連(串聯(lián)和/或并聯(lián))器件、耦合件和/或其組合。
[0046]術(shù)語“電池元件”應(yīng)理解為是指經(jīng)由適當(dāng)?shù)碾娐坊ミB而形成電池的相同或不同的子單元、電池單元或電池部分。在其間提供電壓的成對的電池分接點(diǎn)同樣應(yīng)理解為是指電池元件。
[0047]本發(fā)明提供了一種電池系統(tǒng)，該電池系統(tǒng)允許用至少一個(gè)電池向多個(gè)負(fù)載消耗裝置提供多個(gè)相應(yīng)的電壓水平。為此目的，該至少一個(gè)電池具有多個(gè)電池元件。還提供了一個(gè)調(diào)節(jié)或控制單元以及帶有至少一個(gè)切換元件的一個(gè)切換單元。該調(diào)節(jié)或控制單元被配置成用于指令該切換單元隨著時(shí)間動態(tài)地切換該至少一個(gè)切換元件，從而使得該多個(gè)電池元件的至少一個(gè)相應(yīng)地動態(tài)變化的子集中的多個(gè)電池元件實(shí)現(xiàn)連接，并且由此向該多個(gè)負(fù)載消耗裝置提供所要提供的對應(yīng)電壓水平。
[0048]在此情況下，一個(gè)子集是由一個(gè)或多個(gè)電池元件組成的群體。根據(jù)本發(fā)明，子集中的電池元件以在該至少一個(gè)切換元件的相應(yīng)切換位置來彼此相連接。可想到的是提供多個(gè)子集，每個(gè)子集中限定了多個(gè)電池元件，這些電池元件可以以該至少一個(gè)切換元件的相應(yīng)切換位置來彼此相連接、并且進(jìn)而使這些子集彼此相連接或者避免將多個(gè)單獨(dú)的電池元件或子集與其他電池元件或子集相連。在此情況下，這些子集可以是相同的、可以重疊、或者可以彼此完全不同。
[0049]在根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中，這些對應(yīng)的電池元件可以通過實(shí)現(xiàn)至少一個(gè)預(yù)先限定的調(diào)節(jié)目標(biāo)而被有意地加載。
[0050]根據(jù)本發(fā)明，能夠?qū)υ摱鄠€(gè)負(fù)載消耗裝置中的每一個(gè)提供不同的電壓水平，該對應(yīng)的負(fù)載消耗裝置是針對該電壓水平來設(shè)計(jì)和配置的。
[0051]在根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中，該電池和/或電池元件具有至少一個(gè)額外的電池分接點(diǎn)，該電池分接點(diǎn)安排在該電池和/或電池元件的正極與負(fù)極之間并且能與其他額外的電池分接點(diǎn)進(jìn)行組合并且能用于提供部分電壓，該部分電壓與該電池和/或電池元件在該正極與該負(fù)極之間所能提供的總電壓不同，該正極和該負(fù)極本身相應(yīng)地形成了一個(gè)電池分接點(diǎn)。
[0052]在根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例中，該調(diào)節(jié)或控制單元被配置成用于指令該切換單元來切換這些切換元件并且由此以使得該多個(gè)電池元件已被有意地加載的方式在這些電池分接點(diǎn)之間來回切換。
[0053]在根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)的又一個(gè)實(shí)施例中，該電池針對在該正極與該負(fù)極之間的一對輸出端子具有至少一對額外的輸出端子，該對額外的輸出端子提供的電壓至少間或地與該電池在該正極與該負(fù)極之間所能提供的總電壓不同。
[0054]這些電池分接點(diǎn)和輸出端子被設(shè)計(jì)成用于連接電源、電力匯、電儲存器或電氣線路。
[0055]在根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例中，至少一對輸出端子具有至少一個(gè)切換元件，該至少一個(gè)切換元件交替地將該至少一對輸出端子電連接至這些電池分接點(diǎn)的至少兩個(gè)不同組合上、或者根據(jù)其切換方向來將所述對斷開連接。
[0056]在根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)的又一個(gè)實(shí)施例中，不同的至少兩對輸出端子可以經(jīng)由該至少一個(gè)切換元件而連接至電池分接點(diǎn)的一個(gè)相關(guān)聯(lián)的不相同的組對集合。
[0057]在另一個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)被配置成用于向至少一對輸出端子提供多個(gè)電壓水平，該電池系統(tǒng)能夠在該多個(gè)電壓水平之間間或地改變。
[0058]在根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)的兩個(gè)不同的實(shí)施例中，電池分接點(diǎn)的至少兩個(gè)不同的組對具有大致相同的電壓或不具有相同的電壓。
[0059]在根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中，該至少一個(gè)切換元件是半導(dǎo)體切換元件或整流或整流器元件。
[0060]在根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例中，該至少一對額外的輸出端子所提供的電壓小于在該正極與負(fù)極之間提供的電壓。
[0061]在根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)的又一個(gè)實(shí)施例中，每對輸出端子所提供的電壓都具有相同的極性。
[0062]在根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例中，這些電池分接點(diǎn)將該電池加以再劃分，其方式為使得每個(gè)電池部分以同樣的頻度被不同的多對電池分接點(diǎn)包圍。
[0063]在根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例中，該電池控制件調(diào)節(jié)或控制這些切換元件處于使該至少一對輸出端子與這些電池分接點(diǎn)相連接的位置中的駐留時(shí)長。
[0064]在根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)的進(jìn)一步的實(shí)施例中，該電池控制件被配置成用于指令該切換單元以小于100赫茲(Hz)的轉(zhuǎn)換速率或以小于IHz的轉(zhuǎn)換速率在多個(gè)電池分接點(diǎn)的組合之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
[0065]在根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例中，在至少一對輸出端子處電濾波器產(chǎn)生均勻電壓。
[0066]在根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)的又一個(gè)實(shí)施例中，該電池系統(tǒng)檢測在該至少一對輸出端子處所預(yù)期和/或要求的電壓，并且該電池控制件指令該切換單元相應(yīng)地將這些開關(guān)設(shè)定成使得在該至少一對輸出端子處呈現(xiàn)該所預(yù)期和/或要求的電壓。
[0067]在根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例中，該至少一對輸出端子與電池分接點(diǎn)的這些不同組對之間的這種成對連接是經(jīng)由該至少一個(gè)切換元件而交替地存在的，也就是說，多對的輸出端子被交替地連接至電池分接點(diǎn)的不同組對。
[0068]在根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)的又一個(gè)實(shí)施例中，這些電池分接點(diǎn)的電勢和這些輸出端子的電勢在彼此之間和/或相對于彼此是動態(tài)地穩(wěn)定的。
[0069]在根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例中，該至少一對輸出端子具有CLC濾波器，該濾波器帶有至少一個(gè)電感和至少兩個(gè)電容，該至少兩個(gè)電容各自連接到該電感的一個(gè)電連接端上。
[0070]在根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例中，該至少一對輸出端子具有LCL濾波器，該濾波器帶有至少兩個(gè)電感和至少一個(gè)電容，該至少兩個(gè)電感各自連接到該電容的一個(gè)電連接端上。
[0071]在根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例中，至少一對輸出端子和/或至少一個(gè)電池分接點(diǎn)具有至少一個(gè)電壓傳感器和/或至少一個(gè)電流傳感器，來自這些傳感器的信號被傳輸至該電池控制件。
[0072]在根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例中，該至少一個(gè)電流傳感器被設(shè)計(jì)成用于檢測流入和流出至少一個(gè)中央分接點(diǎn)的電量。
[0073]在根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)的又一個(gè)實(shí)施例中，可以在兩個(gè)不相同的電池分接點(diǎn)之間建立導(dǎo)電連接的至少一個(gè)電路回路具有被配置來中斷該導(dǎo)電連接的至少一個(gè)電熔斷器和/或電接觸器。
[0074]在根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例中，至少一個(gè)電池分接點(diǎn)和/或至少一對輸出端子具有被配置來中斷來自該電池的電氣線路的至少一個(gè)電熔斷器和/或至少一個(gè)電接觸器。
[0075]在根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例中，至少一個(gè)電池分接點(diǎn)和/或至少一對輸出端子具有至少一個(gè)電感元件和/或至少一個(gè)電容元件。
[0076]在根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)的又一個(gè)實(shí)施例中，至少一個(gè)電池分接點(diǎn)具有至少一個(gè)電感元件，該至少一個(gè)電感元件安置的方式使得，當(dāng)至少一對輸出端子交替地成對連接電池分接點(diǎn)的所有組對時(shí)，每個(gè)電流路徑都經(jīng)過這些電感元件之一。
[0077]在根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例中，該電池系統(tǒng)具有測量用多路復(fù)用器。
[0078]在根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)的又一個(gè)實(shí)施例中，這些電池元件具有不同的物理和/或化學(xué)性質(zhì)。例如，由其得到的電池化學(xué)、內(nèi)阻、電化學(xué)反應(yīng)速度、能量密度、功率密度、能量含量、發(fā)熱行為、充電或放電截止電壓、老化表現(xiàn)或特性可能不同。
[0079]本發(fā)明還包括一種用于控制至少一對輸出端子與電池分接點(diǎn)的至少一個(gè)組對之間的連接的電池控制件。該電池控制件具有調(diào)節(jié)或控制單元，并且該電池控制件通過對多個(gè)電池分接點(diǎn)的這些組對的電壓的加權(quán)線性組合來對由該至少一對輸出端子所要提供的電壓加以近似，該電池控制件在多個(gè)電池分接點(diǎn)的這些組對之間隨著時(shí)間動態(tài)地改變;并且該電池控制件調(diào)節(jié)或控制這些切換元件處在使該至少一對輸出端子與這些電池分接點(diǎn)相連的位置中的臨時(shí)駐留時(shí)長。
[0080]在根據(jù)本發(fā)明的電池控制件的一個(gè)實(shí)施例中，該電池控制件使用總時(shí)間中的對應(yīng)切換組合的臨時(shí)駐留時(shí)長的一部分來作為加權(quán)因子。
[0081 ]在根據(jù)本發(fā)明的電池控制件的另一個(gè)實(shí)施例中，如果存在欠定的線性組合，則該電池控制件優(yōu)化另外一個(gè)調(diào)節(jié)目標(biāo)或次要條件，例如對該電池或電池元件的均勻充電或放電、對該電池或電池元件的有意不相等的放電或充電、均勻的或有意不均勻的老化、均勻的或有意不均勻的發(fā)熱或溫度分布、相同的或有意不相同的電壓或者相同的或有意不均等的電量狀態(tài)。
【附圖說明】
[0082]從說明書和附圖中將顯現(xiàn)本發(fā)明的進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)和構(gòu)型。
[0083]不言自明的是，以上提及的這些特征以及以下將要解釋的特征不僅可以按對應(yīng)地指明的組合形式使用、也可以按其他組合形式或者單獨(dú)地使用，而不脫離本發(fā)明范圍。
[0084]圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的電池，該電池除了正極和負(fù)極之外還具有中央分接點(diǎn)。
[0085]圖2展示了根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)的原理。
[0086]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的、具有額外一對輸出端子的電池系統(tǒng)的示例性實(shí)施例。
[0087]圖4展示了根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中的典型電壓條件。
[0088]圖5和6各自示出了根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例，其中至少一個(gè)開關(guān)的一部分對應(yīng)地呈整流器元件的形式。
[0089]圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的簡圖，該電池系統(tǒng)具有η個(gè)電池元件、電池分接點(diǎn)和電氣開關(guān)。
[0090]圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例，其中這些電池分接點(diǎn)和這些輸出端子二者的電勢都在彼此之間且相對于彼此是動態(tài)地穩(wěn)定化的。
[0091]圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的、在至少一對輸出端子處具有CLC濾波器的電池系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例。
[0092]圖1Oa和圖1Ob各自不出了根據(jù)本發(fā)明的、具有至少一個(gè)電流傳感器和至少一個(gè)電壓傳感器的電池系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例。
[0093]圖11至14各自示出了根據(jù)本發(fā)明的、具有至少一個(gè)電熔斷器和/或至少一個(gè)電接觸器的電池系統(tǒng)的實(shí)施例。
[0094]圖15示出了根據(jù)本發(fā)明的、使得能夠?qū)﹄姵鼗蜻@些電池元件進(jìn)行均勻加載的電池系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例。
[0095]圖16和17示出了根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例，其中在一對輸出端子處可以呈現(xiàn)出多個(gè)電壓水平。
[0096]圖18和19各自示出了根據(jù)本發(fā)明的、在至少一個(gè)電池分接點(diǎn)處具有至少一個(gè)電感元件的電池系統(tǒng)的實(shí)施例。
[0097]圖20示出了根據(jù)本發(fā)明的、在至少一對輸出端子處具有至少一個(gè)電感元件的電池系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例。
[0098]圖21示出了根據(jù)本發(fā)明的、在至少一個(gè)電池分接點(diǎn)處具有至少一個(gè)電感元件和至少一個(gè)電熔斷器和/或電接觸器的電池系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例。
[0099]圖22示出了根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例，其中至少兩對輸出端子可以各自具有根據(jù)至少一個(gè)電氣開關(guān)的相應(yīng)位置而間或不同的多個(gè)DC電壓。
[0100]圖23示出了對根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的至少一個(gè)電池分接點(diǎn)的調(diào)
-K-
T O
[0101]圖24示出了對根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的電池分接點(diǎn)的進(jìn)一步調(diào)節(jié)。
[0102]圖25示出了根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例，其中至少一個(gè)電流傳感器檢測至少一個(gè)電池分接點(diǎn)的流入和流出電流并且使用其來調(diào)節(jié)或控制該切換單元中的這些單獨(dú)的開關(guān)。
【具體實(shí)施方式】
[0103]參照圖1展示了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的電池。該電池具有第一電池元件101和第二電池元件102。該電池額外具有正極103和負(fù)極104。該電池還具有額外的電池分接點(diǎn)105。該額外的電池分接點(diǎn)105(在此為所謂的中央分接點(diǎn))是安排在該第一電池元件101與第二電池元件102之間的。通過該額外的電池分接點(diǎn)105，該電池適合用于提供多個(gè)電壓。一個(gè)負(fù)載106連接至該電池上。然而，所連接的負(fù)載106以不均勻的方式對該電池加載，也就是說該電池將以不均勻的方式充電或放電。
[0104]本發(fā)明的原理應(yīng)參照圖2進(jìn)行解釋。圖2示出了具有電池9的根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)10，該電池具有第一電池元件I和第二電池元件2，在其間可以在一對輸出端子4處提供電壓。該電池9具有正極8+和負(fù)極8_。這對輸出端子4是由輸出端子4a和4b形成的。所示的電池系統(tǒng)10還具有切換單元3。該切換單元3被配置成用于在第一電池元件I與第二電池元件2之間動態(tài)地交替地來回切換并且用于將電池元件1、2連接到一對額外的輸出端子5上。如隨后也將解釋的，可想到的是，根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)10具有多于額外一對的由輸出端子5a和5b組成的輸出端子5。該至少一對額外的輸出端子5形成了其自身的電壓水平。該至少一對額外的輸出端子5所能提供的電壓可以至少間或地不同于這對輸出端子4在正極8+與負(fù)極8-之間所能提供的電壓。電負(fù)載或負(fù)載消耗裝置可以連接到多對的輸出端子4、5上?？梢赃B接的這些負(fù)載也可以直接是車輛的高電壓和/或低電壓電氣系統(tǒng)、緩沖電池等等。緩沖電池具有的操作電壓對應(yīng)于在這一對額外的輸出端子5之間的電壓的時(shí)間平均值。切換單元3被配置成用于將第一電池元件I或第二電池元件2以導(dǎo)電的方式動態(tài)地交替連接到這一對額外的輸出端子5上。為此目的，切換單元3具有至少一個(gè)切換元件6，如圖3所示。
[0105]在圖3所示的電池系統(tǒng)10中，切換單元3具有四個(gè)切換元件6，這些切換元件各自是半導(dǎo)體元件，在此為絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)。然而，可想到的是，也可以使用另一種半導(dǎo)體元件，例如場效應(yīng)晶體管、雙極型晶體管、晶閘管、閘路控制或類似的電子開關(guān)。繼電器同樣是可想到的。此外，這兩個(gè)切換元件6中的一個(gè)可以另外還對應(yīng)地是整流開關(guān)，例如二極管、肖特基整流器或另一個(gè)整流元件。
[0106]在本公開文本的范圍內(nèi)，術(shù)語“電氣開關(guān)”或“切換元件”也應(yīng)理解為是指電子切換元件。
[0107]電池9額外具有為中央分接點(diǎn)7的形式的一個(gè)額外的電池分接點(diǎn)。該至少一對額外的輸出端子5可以經(jīng)由切換單元3中的這些切換元件6以導(dǎo)電的方式動態(tài)地交替連接到電池分接點(diǎn)7、8+、8_的至少兩個(gè)不同的組合上。這意味著，所述至少一對電輸出端子4、5各自的這兩個(gè)輸出端子4a、4b、5a、5b中的至少一個(gè)可以經(jīng)由該至少一個(gè)電氣開關(guān)6以導(dǎo)電的方式與電池電氣分接點(diǎn)7、8+、8-斷開電連接并且可以與另一個(gè)電池分接點(diǎn)7、8+、8-進(jìn)行連接?？上氲降氖?，多對的輸出端子4、5各自的兩個(gè)端子4a、4b、5a、5b可以以導(dǎo)電的方式與電池分接點(diǎn)7、8+、8_的一種(成對的)組合斷開電連接并且可以與電池分接點(diǎn)7、8+、8_的另一種組合進(jìn)行連接。在此情況下，電池分接點(diǎn)的每種組合本身就形成了本發(fā)明意義上的一個(gè)子集。還可想到的是，每個(gè)端子4a、4b、5a、5b具有兩個(gè)電氣開關(guān)6，也就是針對每對輸出端子4、5有四個(gè)電氣開關(guān)6。
[0108]通過該至少兩對輸出端子4、5和該至少三個(gè)電池分接點(diǎn)7、8+、8_，電池系統(tǒng)10被配置成的方式為使得沒有輸出端子4a、4b、5a、5b是直接電連接到這些電池分接點(diǎn)7、8+、8_之一上的。這對輸出端子5在此具有一個(gè)可選的電容器作為電容13。
[0? O9 ] 如果電池9有電量，則在每對輸出端子4、5處提供的電壓小于在電池9的正極8+與負(fù)極8-之間的電壓，在此情況下所提供的這些電壓具有相同的極性。
[0110]由于這些電池電氣分接點(diǎn)7、8+、8_在電池9上的這種安排，電池9可以被再分成使得其方式為電池分接點(diǎn)7、8+、8_的這些組對中不同的組對以同等頻度來環(huán)繞電池9的每個(gè)部分?？梢杂脕碜哉{(diào)節(jié)或控制單元12的控制信號11將這些開關(guān)6設(shè)定成使其方式為針對具體的多對輸出端子4、5電連接電池分接點(diǎn)7、8+、8-的多種組對上。
[0111]根據(jù)本發(fā)明，該調(diào)節(jié)或控制單元12指示該切換單元3來借助于多個(gè)電氣開關(guān)6來使得一對輸出端子4、5在具有大致相同電壓的電池分接點(diǎn)7、8+、8_的至少兩種不同組對之間來回切換。
[0112]例如在最簡單的情況下，電池系統(tǒng)10的電池9在概念上被分為η個(gè)相同的部分(其旨在僅具有該電池電壓的I/η作為輸出電壓)，并且各個(gè)兩部分之間的分界處都產(chǎn)生了一個(gè)電池電氣分接點(diǎn)7，從而兩個(gè)相鄰的電池分接點(diǎn)7對應(yīng)地形成了電池分接點(diǎn)7、8+、8_的一種組對，并且每個(gè)電池分接點(diǎn)(邊界的電池分接點(diǎn)8+、8-除外)都被電池分接點(diǎn)的兩種組對所包括在內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明，電池9的每個(gè)部分可以形成一個(gè)子集，其結(jié)果是產(chǎn)生了η個(gè)子集。替代地，電池9的多個(gè)相連的部分形成一個(gè)子集。替代地，電池9也可以在概念上被分成例如相同大小的、在分界處具有相應(yīng)的電池分接點(diǎn)7的2η個(gè)部分，在此情況下一種組對就對應(yīng)地包括每隔一個(gè)電池的分接點(diǎn)7，并且因此一個(gè)電池分接點(diǎn)7與其緊鄰的電池分接點(diǎn)的相鄰電池分接點(diǎn)形成一個(gè)組對。如果電池分接點(diǎn)7的一種組對包括電池9的多個(gè)部分、或者包括多個(gè)電池元件，則這多個(gè)部分或電池元件形成一個(gè)子集。在所有這些情況下，還可以通過適當(dāng)?shù)蒯槍μ幱谂c電池分接點(diǎn)7、8+、8_的這些組對的多種具體電連接組合中的臨時(shí)駐留時(shí)長加以選擇來使得電池9的任何所希望的部分被輸出端子4、5的一種單獨(dú)的組對均勻地加載或可以使其滿足其他條件。
[0113]具體映射到這種最簡單的情況上，例如由于可以提供800V電壓并且由偶數(shù)個(gè)電池元件1、2組成的電池9具有安排在這兩個(gè)電池元件1、2之間的中央分接點(diǎn)7，就從電池9上產(chǎn)生了400V的第二電壓。電池9因此具有至少三個(gè)電池分接點(diǎn)7、8+、8-:在電池9的電性最正的點(diǎn)處的電池正分接點(diǎn)8+、在該電池的電性最負(fù)的點(diǎn)處的電池負(fù)分接點(diǎn)8_、以及具有電池9的大致一半電壓的中央分接點(diǎn)7 ο雖然所有800V的系統(tǒng)都繼續(xù)使用這對輸出端子4來從電池正分接點(diǎn)和電池負(fù)分接點(diǎn)8+、8-供電，但中央分接點(diǎn)7與電池負(fù)分接點(diǎn)8-的組合以及電池正分接點(diǎn)8+與中央分接點(diǎn)7的組合對應(yīng)地提供了大致一半的電壓。雖然現(xiàn)在原則上可以由這兩個(gè)組合中的每一個(gè)來使400V的負(fù)載運(yùn)行，但這樣的過程會導(dǎo)致電池9的這兩個(gè)部分被以不均勻的方式加載。此外，在這兩種組合之間通過硬線連接來分配多個(gè)負(fù)載進(jìn)行均等化(例如在生產(chǎn)過程中已經(jīng)進(jìn)行)并不是所推薦的，因?yàn)檫@減小了但并不能排除不均勻加載的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)本發(fā)明，可以替代地通過使用多個(gè)電氣開關(guān)6來使得400V的負(fù)載在圖3所示的電池9的電池分接點(diǎn)7、8+、8_的這兩個(gè)替代性組合之間來回地切換。通過選擇切換到每個(gè)組合的平均時(shí)長，就可以在這兩個(gè)替代性的組合之間例如基于已經(jīng)流過的電量而均勻地分配負(fù)載。除了均勻放電/充電之外，也可以用有意不相等的放電/充電、均勻的或有意不均勻的老化、均勻的或有意不均勻的發(fā)熱或溫度分布、相同的或有意不相等的電壓、或者相同的或有意不相等的電量狀態(tài)來作為調(diào)節(jié)或控制單元12的調(diào)節(jié)或控制目標(biāo)。通過一對具體輸出端子4、5可以在其間來回切換的、足夠大量的替代性電池分接點(diǎn)7、8+、8_組對可以來同時(shí)使用這些調(diào)節(jié)或控制目標(biāo)中的多種目標(biāo)。
[0114]如果電池分接點(diǎn)7、8+、8-的這些不同組對的電壓不同，就使用電池分接點(diǎn)7、8+、8-組對的多種不同組合之間的轉(zhuǎn)換以借助于電路處于這些單獨(dú)的組合的適當(dāng)駐留時(shí)長來針對一對輸出端子4、5的電壓水平產(chǎn)生時(shí)間平均電壓。為此目的，電池9可以具有電池分接點(diǎn)
7、8+、8_的多個(gè)組對組合，其結(jié)果是，以電路處于這些單獨(dú)組合的恰當(dāng)駐留時(shí)長來至少間或地使能多于一個(gè)解決方案來產(chǎn)生具有相應(yīng)的電壓水平的預(yù)先限定電壓、并且因此這是欠定的。這種欠定性質(zhì)是通過引入至少一個(gè)另外的調(diào)節(jié)目標(biāo)或至少一個(gè)另外的邊界條件來去除或減小的。調(diào)節(jié)目標(biāo)或邊界條件可以是均勻的放電或充電、均勻的老化、均勻的劣化、均勻的電量狀態(tài)或均勻的溫度。一個(gè)實(shí)例可能是由四個(gè)電池元件(例如將電池元件I和2各自分成兩個(gè)半部并且可以具有額外的電池分接點(diǎn)(中央分接點(diǎn)7))組成的電池9，這使得能夠通過使用電池分接點(diǎn)7、8+、8-的多個(gè)組對組合來提供例如四分之一或一半的總電池電壓。
[0115]在電池分接點(diǎn)7、8+、8_的這些組對之間來回切換的操作優(yōu)選以低的頻率進(jìn)行而使得直接由于這種來回切換操作而產(chǎn)生的熱量形式的額外能量損失小于在該電池系統(tǒng)中沒有來回切換操作的情況下可能產(chǎn)生的熱量形式的能量損失的百分之十。
[0116]在電池分接點(diǎn)7、8+、8_的這些組對之間來回切換的這種操作優(yōu)選是以小于100赫茲的頻率進(jìn)行的。小于I赫茲的頻率是特別優(yōu)選的。
[0117]圖4展示了在電池系統(tǒng)10的運(yùn)行過程中所滿足的電壓條件。圖4實(shí)質(zhì)上重構(gòu)了圖3的電路。在輸出端子4a與5a、5a與5b、5b與4b之間對應(yīng)地呈現(xiàn)正電壓。同樣跨晶體管6到中央分接點(diǎn)7并且跨晶體管6到電路的負(fù)極8-呈現(xiàn)正電壓。相應(yīng)地，各對輸出端子4、5所提供的電壓具有相同的極性。
[0118]圖5和6各自展示了根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)10的一個(gè)實(shí)施例。然而，切換單元3并非具有四個(gè)IGBT 6、而是在各自情況下僅具有兩個(gè)。這些IGBT 6中的兩個(gè)已經(jīng)各自被整流器元件14(例如二極管或肖特基二極管)替代。同樣在該電路中實(shí)施了一個(gè)可選的電容13。
[0119]圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)10的、針對不限數(shù)量的η個(gè)電池元件1、2、……、η的示例性電路。在這個(gè)實(shí)施例中，電池9具有多個(gè)額外的電池分接點(diǎn)7以及多個(gè)電氣切換元件6-1、6-2、......、6_n。這些電氣切換兀件6-1、6-2、......、6_n在各自的情況下將至少一對輸出端子4a、4b連接到電池分接點(diǎn)7的一個(gè)組對上。電壓15對應(yīng)于這些電池元件1、2、……、η的電壓，這些電池元件各自可以是單獨(dú)的電池單元或更大的單元。電池9的最大電壓可在正極8+與負(fù)極8-之間獲得。
[0120]圖8a和9a各自示出了根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)10的一個(gè)實(shí)施例，其中這些電池分接點(diǎn)7、8+、8_和這些輸出端子5a、5b的電勢都是在彼此之間且相對于彼此動態(tài)穩(wěn)定化的。為此目的，使用了至少一個(gè)穩(wěn)定器16，該至少一個(gè)穩(wěn)定器通過其至少兩個(gè)連接端對應(yīng)地電連接到一個(gè)電池分接點(diǎn)7、8+、8-和/或一個(gè)輸出端子5a、5b上并且是與相應(yīng)切換元件6并聯(lián)安排的。以此方式，這些電池分接點(diǎn)7、8+、8_和/或這些輸出端子5a、5b是相對于彼此由這些穩(wěn)定器16來穩(wěn)定化的，這些穩(wěn)定器相對于它們的電勢而言具有非常小的或最小化的間距。這些穩(wěn)定器16還防止在該電路與轉(zhuǎn)換相關(guān)聯(lián)的、希望的或不想要的電感19中的快速電流路徑改變(圖9a)導(dǎo)致感應(yīng)電壓尖峰，這例如導(dǎo)致在輸出端子4a、4b、5a、5b和電池分接點(diǎn)7、8+、8_處不期望的電壓干擾和/或?qū)Σ考徒^緣體的高電壓加載。調(diào)節(jié)或控制單元12傳送控制信號11到這些電氣切換元件6并且從安排在輸出端子5a與5b之間的電壓測量裝置17接收傳感器信號18。
[0121 ]在圖9a中，這些電氣或電子切換元件6是晶體管的形式。此外，至少一對輸出端子5具有所謂的CLC(電容器-電感器-電容器)濾波器，該濾波器具有至少一個(gè)電感19和至少兩個(gè)各自連接所述電感19的電連接端的電容13。穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)或多個(gè)電容可以防止電流(該電流是盡管先前斷開開關(guān)卻由于驅(qū)動電流的電感現(xiàn)象而未被抑制的)僅導(dǎo)致電壓的緩慢升高。此外，電阻器也可以與該電容13串聯(lián)連接。該濾波器也可以是例如具有兩個(gè)電感19和一個(gè)電容13的LCL(電感器-電容器-電感器)濾波器。
[0122]圖8b和9b基本上示出了來自圖8a和9a的電池系統(tǒng)10，但二極管20屬于穩(wěn)定器網(wǎng)絡(luò)16。在圖Sb中，這些電氣切換元件6已經(jīng)被晶體管替代。例如，根據(jù)本發(fā)明的動態(tài)穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)可能能夠?qū)^電壓進(jìn)行放電。這可以是通過使用至少一個(gè)切換元件20來完成的，該切換元件的電導(dǎo)率在具有某個(gè)最小電壓的電壓脈沖事件中短期內(nèi)大大升高，還例如浪涌二極管、瞬時(shí)電壓抑制器或齊納二極管。
[0123]圖1Oa和1b示出了根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)10的進(jìn)一步的實(shí)施例并且用電流傳感器21實(shí)質(zhì)性地?cái)U(kuò)展了圖8a至9b所示的圖。在擴(kuò)展或補(bǔ)充了圖9b的圖1Oa中，該電流傳感器21是在輸出端子5a處安排在電感19上游。電流傳感器21的傳感器信號18被傳輸至該調(diào)節(jié)或控制單元12。在圖1Ob中，電流傳感器21安排在中央分接點(diǎn)7處并且檢測流入和流出的電量。原則上在根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)10的任一實(shí)施例中都可以安裝電流傳感器21。為了均等化每個(gè)電池元件1、2的電流負(fù)載，可以使用電流傳感器21的零位置并且這可以用作調(diào)節(jié)的目標(biāo)。
[0124]圖11至14示出了具有多個(gè)電熔斷器22和多個(gè)電接觸器23的根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)10。
[0125]圖11中的電路具有兩個(gè)電熔斷器22和兩個(gè)電接觸器23。在所示電路中，具有這些電熔斷器22和電接觸器23的這種電回路可以通過激活或破壞(例如通過斷開)特定的電氣開關(guān)6來在兩個(gè)不相同的電池分接點(diǎn)7、8+、8_之間建立導(dǎo)電的連接、具體地所謂的短路。這些電熔斷器22和電接觸器23被配置成用于中斷這種導(dǎo)電連接。
[0126]圖12中所示的電路在每個(gè)電池分接點(diǎn)7、8+、8_處具有一個(gè)電熔斷器22和一個(gè)電接觸器23。這些電熔斷器22和電接觸器23可以將連接到電池分接點(diǎn)7、8+、8-上的半導(dǎo)體開關(guān)6與電池9斷開電連接。
[0127]圖13中所示的電路示出了根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)10的可以使用最少的電熔斷器22和/或電接觸器23來斷開兩個(gè)不同的電池分接點(diǎn)7、8+、8_之間的導(dǎo)電連接(具體地也稱為短路)的電路。
[0128]圖14所示的根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)10的電路中，除了電池分接點(diǎn)7、8+、8_之外，每個(gè)輸出端子4a、4b、5a、5b也具有一個(gè)電恪斷器22和一個(gè)電接觸器23。
[0129]參照圖16和17展示了根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)10的另外一個(gè)方面。根據(jù)本發(fā)明，通過這些電氣開關(guān)6的相應(yīng)置位可以在一對輸出端子5a、5b處間或地提供多于一個(gè)電壓15。在圖16中，通過對輸出端子5a、5b之間的這些電氣開關(guān)6進(jìn)行置位提供了與在電池9的正極8+與負(fù)極8-之間的電壓相對應(yīng)的電壓15。圖17示出了可以如何通過對輸出端子5a、5b之間的這些電氣開關(guān)6進(jìn)行置位來提供與電池9的電池元件1、2的電壓相對應(yīng)的電壓15。為此目的，可以以一個(gè)開關(guān)位置(圖17的左側(cè))來在這對輸出端子5處提供電池的正極8+與電池分接點(diǎn)7之間的電池元件I的電壓。如果電路切換至另一個(gè)開關(guān)位置(圖17的右側(cè))，則在輸出端子5a、5b處的電壓15對應(yīng)于該電池的電池分接點(diǎn)7與負(fù)極8-之間的第二電池元件2的電壓。相應(yīng)地，在這對輸出端子4處可以提供多于一個(gè)電壓15。通過恰當(dāng)?shù)貋砘厍袚Q這些電氣開關(guān)6就實(shí)現(xiàn)了電池9的均勻加載和/或上述這些調(diào)節(jié)目標(biāo)中的其他目標(biāo)。
[0130]為此目的，根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)10被配置成檢測多對輸出端子4、5處需要或預(yù)期的電壓并且使用該調(diào)節(jié)或控制單元12來將這些電氣開關(guān)6設(shè)定成使得在這些對的輸出端子4、5處提供相應(yīng)的電壓。已經(jīng)提到，可以將另外的車輛電氣系統(tǒng)或其他單元、例如電氣負(fù)載、電能儲存器和/或電氣充電器連接到多對輸出端子4、5上。為了檢測在這些對輸出端子4、5處所需要或預(yù)期的電壓，根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)10具有多個(gè)電壓傳感器17，如圖8a、8b、9a、9b、10a和1b所示。因此電壓是在一對輸出端子5處測量的。在這個(gè)測量的過程中，也可以停用所有電氣開關(guān)6，以便使施加到相應(yīng)的這對輸出端子5上的電壓15不失真、并且避免通過使用該至少一個(gè)電氣開關(guān)6而與電池9的多個(gè)部分進(jìn)行成對連接而改變該電壓。
[0131]替代地，針對此檢測，以從所提到的這些連接的單元中的至少一個(gè)傳輸至少一個(gè)電子信號18給根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)10的該至少一個(gè)調(diào)節(jié)或控制單元12，該信號給該調(diào)節(jié)或控制單元12提供了對正確電壓15的指示，從而使得該調(diào)節(jié)或控制單元12可以指令切換單元3相應(yīng)地激活或切換這些電氣開關(guān)6。
[0132]例如，根據(jù)本發(fā)明的這個(gè)方面，可以使用同一電池9來用遠(yuǎn)低于總電池電壓且動態(tài)地交替連接到不同電池元件1、2、……、n上的充電電壓、以及用與總電池電壓相同且因此應(yīng)連接到電池9的正極和負(fù)極8+、8-上的電壓來執(zhí)行DC電壓快速充電。
[0133]為了產(chǎn)生在時(shí)間上更加均勻的電流流動，圖18至21中所示的電路具有電感元件或電感19。
[0134]在圖18中，在電池分接點(diǎn)7處安排了電感19。圖18中的電路另外在一對輸出端子5處具有一個(gè)可選的電容13并且具有多個(gè)穩(wěn)定器16。
[0135]在圖19中，在電路中整合了兩個(gè)電感19。一個(gè)電感19安排在正極8+處，而第二個(gè)電感19安排在電池9的負(fù)極8-處。
[0136]圖20在一對輸出端子5處具有電感19。
[0137]在圖21中，根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)10除了在電池分接點(diǎn)7中的電感元件19之外還具有在電池分接點(diǎn)8+、8_中的電熔斷器22。該電熔斷器22也可以用電接觸器23來替代。替代地，也可以使用電熔斷器22以及電接觸器23或者它們的組合。
[0138]在所示這些實(shí)施例中，電感19在此情況下被安置的方式為使得至少一個(gè)電感元件19被對應(yīng)地安置在至少一個(gè)電池分接點(diǎn)7、8+、8-中，以使得在改換至少一對輸出端子4、5與所有這些對的電池分接點(diǎn)7、8+、8-的成對連接期間，每個(gè)電流路徑都經(jīng)過這些電感元件19
之一O
[0139]來自對應(yīng)的這對輸出端子4、5的電壓處在第一近似值，該第一近似值在電池分接點(diǎn)7、8+、8_的這些組對所能提供的最小電壓與最大電壓之間，該調(diào)節(jié)或控制單元12在電池分接點(diǎn)的這些組對之間來回地切換對應(yīng)的這對輸出端子4、5。
[0140]根據(jù)本發(fā)明，該調(diào)節(jié)或控制單元12可以被設(shè)計(jì)成指令切換單元3使用這些開關(guān)元件6來在電池分接點(diǎn)7、8+、8_的至少兩個(gè)不相同的組對之間隨時(shí)間動態(tài)地來回切換這些對的輸出端子4、5，在此情況下并非所有電池分接點(diǎn)7、8+、8-的這些組對或電池元件或子集都具有大致相同的提供電壓。例如，電池分接點(diǎn)7、8+、8-的一個(gè)組對所提供的電壓可能與電池分接點(diǎn)7、8+、8_的其他組對所提供的電壓相差超過百分之二十，其中切換單元3在這些組對之間隨時(shí)間動態(tài)地來回地切換輸出端子4、5。例如，電池分接點(diǎn)7、8+、8-的一個(gè)組對所提供的電壓還可能與電池分接點(diǎn)7、8+、8_的其他組對所提供的電壓相差超過百分之四十，其中切換單元3在這些組對之間動態(tài)地來回地切換輸出端子4、5。
[0141 ]該調(diào)節(jié)或控制單元12還被設(shè)計(jì)成調(diào)節(jié)或控制這些開關(guān)6處于使這些對的輸出端子
4、5連接電池分接點(diǎn)7、8+、8-的這些組對的對應(yīng)位置的臨時(shí)駐留時(shí)長。其結(jié)果是，一對輸出端子4、5的電壓可以是通過對這對輸出端子4、5與電池分接點(diǎn)7、8+、8-的這些組對之一之間的電連接臨時(shí)駐留時(shí)長加以恰當(dāng)選擇來設(shè)定在時(shí)間平均值上的。
[0142]參照圖15展示了這個(gè)方面。例如，電池分接點(diǎn)7、8+、8-的這些組對可以在電池9上以如下方式進(jìn)行安排，即，使得并非每個(gè)電池元件1、2、24自身都是被一對輸出端子5-1、5-2均勻地加載的、或者可以應(yīng)用以上提及的這些條件之一。該電池系統(tǒng)10的電路具有三個(gè)電池元件1、2、24，這些電池元件可以經(jīng)由多個(gè)電開關(guān)6電連接到這些對的輸出端子5-1和5-2上。該電路額外具有輸出端子4a和4b，這些輸出端子相應(yīng)地電連接到正極8+和負(fù)極8-上。這對輸出端子5-1可以電連接到串聯(lián)連接的電池元件I和2上(于是形成一個(gè)子集)或者電連接到電池元件24(于是本身就是子集)上或者電連接到串聯(lián)連接的三個(gè)電池元件1、2、24(于是形成另外的子集)上。這對輸出端子5-2可以電連接到串聯(lián)連接的電池元件2和24上(于是形成一個(gè)子集)或者電連接到電池元件1(于是本身就是子集)上或者電連接到串聯(lián)連接的三個(gè)電池元件1、2、24(于是形成一個(gè)子集)上。如果多個(gè)電池分接點(diǎn)7相互組合，則可以在這些單獨(dú)的電池元件1、2、24之間通過將電量轉(zhuǎn)移到例如一個(gè)中間模塊來進(jìn)行電量交換。這樣的中間模塊可以是電池元件2。例如，如果這對輸出端子5-1電連接到電池元件24上并且這對輸出端子5-2電連接到電池元件I上，則對應(yīng)地在這兩對輸出端子5-1、5-2處提供了與電池9的正極8+和負(fù)極8-之間的總電壓的三分之一相對應(yīng)的電壓15-1或15-2。然而，電池元件2未被加載，由此電池元件1、2、24是以不均勻的方式加載的。然而，通過相應(yīng)地在以上提及的組合之間隨時(shí)間動態(tài)地來回切換并且借助于處于相應(yīng)位置的相應(yīng)臨時(shí)駐留時(shí)長，就實(shí)現(xiàn)了例如通過使用電池元件2來在電池元件1、2、24之間交換電量來從而均勻加載電池元件1、2、24的情形。應(yīng)注意的是，每個(gè)電池元件可以與一個(gè)或多個(gè)子集相關(guān)聯(lián)，并且這些子集在每個(gè)切換操作之后動態(tài)地改變并且包括多個(gè)不同的和/或相同的電池元件。
[0143]圖22中的電路是圖15中的電路的替代方案。同樣在此情況下，電池9被再分為三個(gè)電池元件1、2、24。在此情況下，至少兩對輸出端子5-1、5-2可以各自借助于至少一個(gè)電氣開關(guān)6的適當(dāng)置位而具有間或不同的DC電壓15-1、15-2。與圖15相比較，現(xiàn)在可以借助于這些電氣開關(guān)6的相應(yīng)置位來在這對輸出端子5-1處提供僅與第一電池元件I的電壓相對應(yīng)的、或僅與第二電池元件2的電壓相對應(yīng)的、或與串聯(lián)連接的第一以及第二電池元件1、2的電壓相對應(yīng)的電壓15-1。這對輸出端子5-2處所提供的電壓15-2情形類似并且可以相應(yīng)地僅與第三電池元件24的電壓相對應(yīng)、或僅與第二電池元件2的電壓相對應(yīng)、或與串聯(lián)連接的電池元件2、24的電壓相對應(yīng)?？梢酝ㄟ^相應(yīng)地在這些電池分接點(diǎn)7、8+、8_之間動態(tài)地來回切換來均勻地加載該電池和這些電池元件1、2、24。
[0144]例如，具有九個(gè)電串聯(lián)電池元件的電池9可以被再分為兩個(gè)不重疊的部分，每個(gè)部分具有四個(gè)電池元件(這些部分于是相應(yīng)地形成一個(gè)子集)以便各自產(chǎn)生具有一半電池電壓的一對輸出端子。然而，在此實(shí)例中的有一個(gè)電池元件(也形成一個(gè)子集)并不包括在任何替代方案中，其結(jié)果是，即使通過對處于單獨(dú)電路狀態(tài)下的駐留時(shí)長加以刻意選擇也無法對所有電池元件均勻地加載，并且在以下方程系統(tǒng)中對此電池單元存在奇點(diǎn)。
[0145]換言之，電池9的這些最小部分的集合(例如，串聯(lián)電連接的所有單獨(dú)電池元件1、2、24的集合)被認(rèn)為是矢量空間的基礎(chǔ)。因此，可以針對將特定的一對輸出端子5-1、5-2以導(dǎo)電的方式成對連接到電池分接點(diǎn)7、8+、8_的一個(gè)特定組對上的這些電氣開關(guān)6的每個(gè)開關(guān)位置，確定出例如將這對輸出端子5-1、5-2的電壓15-1、15-2描述為這些單獨(dú)電池元件1、
2、24的電壓的線性組合的一個(gè)矢量，因而確定這些基礎(chǔ)矢量。如果將所有這樣的、描述電池元件1、2、24相對于相應(yīng)的輸出端子5a-l、5b-l、5a-2、5b-2的連接的矢量一起考慮的集合，對于所有使用的受影響的這些對輸出端子5-1、5-2與電池分接點(diǎn)7、8+、8-的多個(gè)組對的成對電連接而言是滿秩的，則這個(gè)集合跨越了與這些單獨(dú)電池元件1、2、24的上述基礎(chǔ)相同的矢量空間。在此情況下，對應(yīng)的均等化就有可能通過對這至少兩對輸出端子5-1、5-2相對于與它們相關(guān)聯(lián)的(可以通過電氣開關(guān)6來使得對應(yīng)的這對輸出端子5-1、5-2成對地與其電連接的)電池分接點(diǎn)7、8+、8-的多個(gè)組對的臨時(shí)駐留時(shí)長進(jìn)行控制和/或調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。在此情況下，在這種均等化中涉及的單獨(dú)這些對輸出端子5-1、5-2的電功率不會長時(shí)間地在時(shí)間平均的意義上(也就是在電池9的放電周期的數(shù)量級上)顯著不同。
[0146]在此方面，圖23示出了對電池分接點(diǎn)7、8+、8_的調(diào)節(jié)30。為此目的，將一個(gè)狀態(tài)變量32-1(例如與一個(gè)電池分接點(diǎn)7、8+、8_相關(guān)聯(lián)的一個(gè)電池元件7、8+、8_的真實(shí)負(fù)載)與一個(gè)調(diào)節(jié)目標(biāo)34-1(例如所有電池部分的平均負(fù)載)相互比較一次。調(diào)節(jié)器25(例如PID調(diào)節(jié)器)然后確定處在電池分接點(diǎn)的一個(gè)組對中的比例臨時(shí)駐留時(shí)長
[0147]36-1?？梢葬槍θ我庀Ｍ麛?shù)量的電池分接點(diǎn)7、8+、8_中的多個(gè)電池分接點(diǎn)中的每一個(gè)來執(zhí)行此動作。如果被指派給特定的一對輸出端子4、5的電池分接點(diǎn)7、8+、8-的這些組對在電池9上分布的方式為使得由這些電池分接點(diǎn)7、8+、8-在概念上形成的這些電池元件
1、2、24并不重疊，則這樣的均等化是通過多對輸出端子4、5與所指派的電池分接點(diǎn)7、8+、8_的這些組對中每一組對的這種成對電連接的駐留時(shí)長來提供的，該駐留時(shí)長在時(shí)間平均的意義上是相同的。為了簡化，這個(gè)序列可以是循環(huán)的(所謂的輪轉(zhuǎn))。替代地，例如還有可能使用具有在平均意義上相同的分布的隨機(jī)序列。
[0148]如果由電池分接點(diǎn)7、8+、8_的這些組對形成的這些電池元件1、2、24并非是成對地?cái)嚅_聯(lián)接的，則應(yīng)考慮這些重疊的電池元件1、2、24的增大的負(fù)載。
[0149]圖24示出了通過使用連接矩陣38以加權(quán)因子Hilj來對多個(gè)調(diào)節(jié)目標(biāo)和/或多個(gè)具有對應(yīng)調(diào)節(jié)目標(biāo)的狀態(tài)變量32-1加以處理的調(diào)節(jié)方法
[0150]30。這些狀態(tài)變量(“負(fù)載”)32-1—般可以構(gòu)成在本說明中提到的所有調(diào)節(jié)目標(biāo)，例如電荷、電流、能量、溫度等等。
[0151]如果將處于對應(yīng)切換組合中的臨時(shí)駐留時(shí)長占總時(shí)間的部分用作加權(quán)因子Hilj的話，對應(yīng)的這對輸出端子4、5的電壓也可以用電池分接點(diǎn)7、8+、8-的這些組對(該調(diào)節(jié)或控制單元12在這些電池分接點(diǎn)之間隨時(shí)間動態(tài)地來回切換這對輸出端子4、5)的電壓的加權(quán)線性組合來加以近似。
[0152]電氣損失，例如電氣開關(guān)6中的損失，總體上降低了真實(shí)電壓。這種線性組合還提供了一個(gè)方程，對于給定的電壓而言，該方程可以用來估算適合的加權(quán)因子IHlj并且因此估算出平均駐留時(shí)長36。
[0153]也可以借助于適當(dāng)?shù)碾姎鉃V波器來在這對輸出端子處產(chǎn)生均勻的電壓。在圖8a、8b、9a、9b中，是使用安裝在電路中的電感19和/或電容13來實(shí)施這樣的濾波器的。
[0154]如果針對給定電壓而言基于該線性組合的方程系統(tǒng)是欠定的，也就是說可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生所希望電壓的多個(gè)解決方案，就也可以使用處在多對輸出端子4、5與電池分接點(diǎn)7、8+、8-的多個(gè)組對的多個(gè)具體切換組合中的平均臨時(shí)駐留時(shí)長來優(yōu)化至少一個(gè)次要條件。次要條件的實(shí)例是對由包圍電池部分1、2、24、……、n的電池分接點(diǎn)7、8+、8-(圖7和15)的這些組對所限定的這些電池部分進(jìn)行均勻放電或充電、有意不相等的放電/充電、均勻的或有意不均勻的老化、均勻的或有意不均勻的發(fā)熱或溫度分布、相同的或有意不相等的電壓、或相同的或有意不相等的電量狀態(tài)。
[0155]圖25示出了具有電流傳感器21的根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)10，該電流傳感器檢測電池分接點(diǎn)7(例如中央分接點(diǎn))的流入和流出電流，并且用此來調(diào)節(jié)切換單元3中的這些獨(dú)立的開關(guān)6。調(diào)節(jié)可以包括例如:至少一個(gè)PID調(diào)節(jié)器25，該調(diào)節(jié)器試圖在時(shí)間平均值上將對應(yīng)地測量的電流調(diào)節(jié)到零;至少一個(gè)鑒別器26，例如還有施密特觸發(fā)器；以及至少一個(gè)柵極驅(qū)動器單元27。該調(diào)節(jié)器也可以替代地是PI調(diào)節(jié)器或P調(diào)節(jié)器。通過用對應(yīng)地相關(guān)聯(lián)的電壓傳感器17來測量不同電池元件1、2、24的電壓，該調(diào)節(jié)或控制單元12就可以將電池元件1、2、24之間的電壓差均等化或者可以通過選擇在對應(yīng)的多對輸出端子4、5與電池分接點(diǎn)7、8+、8_的不同組合之間的連接轉(zhuǎn)換時(shí)間來有意地將特定電池元件1、2、24調(diào)節(jié)到不同的預(yù)先限定的電壓上。相應(yīng)地，可以使用測量流入和流出電流的多個(gè)電流傳感器21來針對相應(yīng)的電池元件1、2、24確定電量平衡，并且可以通過選擇相應(yīng)的多對輸出端子4、5與電池分接點(diǎn)7、8+、8-的不同組合之間的連接轉(zhuǎn)換時(shí)間來有意地均等化或有意地建立起電量差。然而，也可以均等化電池元件1、2、24的其他狀態(tài)變量，這需要進(jìn)一步的傳感器。例如，并未示出使得能夠均衡電池元件1、2、24的溫度差異的溫度傳感器。
[0156]如所提到的，根據(jù)本發(fā)明，多個(gè)電池分接點(diǎn)或每個(gè)電池分接點(diǎn)7、8+、8_都可以具有一個(gè)電壓傳感器17，但根據(jù)本發(fā)明，該至少一個(gè)切換元件6允許僅使用一個(gè)電壓傳感器17確定出所有電池元件1、2、24的電壓，這是由于該至少一個(gè)電氣開關(guān)6除了在電池分接點(diǎn)7、8+、8-的不同組對組合之間轉(zhuǎn)換這些相應(yīng)對的輸出端子4、5之外還執(zhí)行測量用多路復(fù)用器的功能、并且將電壓傳感器17交替地連接到電池分接點(diǎn)7、8+、8_的不同組對組合上。這同樣適用于電流傳感器21。
[0157]根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)10以及根據(jù)本發(fā)明的調(diào)節(jié)或控制件30允許獲得與常規(guī)DC-DC轉(zhuǎn)換器相比而言小的電子器件(小的安裝空間、小的體積、低的重量)、以及與通常具有非常有限的調(diào)節(jié)速度的常規(guī)DC-DC轉(zhuǎn)換器相比而言高的負(fù)載動態(tài)特性。根據(jù)本發(fā)明的電池系統(tǒng)以及根據(jù)本發(fā)明的調(diào)節(jié)或控制還由于也能以冗余方式設(shè)計(jì)幾個(gè)部分而具有高度可靠性。
[0158]本發(fā)明并不局限于機(jī)動車輛、而是涉及可以被分為電池元件或者可以以多個(gè)組合成較大單元的電池以及其他DC電壓源和DC電壓儲存器的所有應(yīng)用領(lǐng)域。
[0159]不限制一般性，本發(fā)明也可以與其他電子電路進(jìn)行組合并且可以補(bǔ)充以進(jìn)一步的電氣切換元件。
[0160]所有確切的電壓值僅用來展示概念和一些實(shí)施例而不限制本發(fā)明。
[0161]此外，所描述的實(shí)施例僅用于展示本發(fā)明。本發(fā)明不局限于這些實(shí)施方案。本發(fā)明的范圍由隨后的權(quán)利要求書限定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于向多個(gè)負(fù)載消耗裝置提供相應(yīng)的多個(gè)電壓水平的電池系統(tǒng)(10)，該電池系統(tǒng)具有:至少一個(gè)具有多個(gè)電池元件(I，2，24，n)的電池(9);調(diào)節(jié)或控制單元(12);以及，帶有至少一個(gè)切換元件(6)的切換單元(3)，該調(diào)節(jié)或控制單元(12)被配置成用于指令該切換單元(3)隨著時(shí)間動態(tài)地切換該至少一個(gè)切換元件(6)，從而使得該多個(gè)電池元件(I，2，24，η)的至少一個(gè)相應(yīng)地動態(tài)變化的子集中的多個(gè)電池元件(I，2，24，η)實(shí)現(xiàn)連接，并且由此向該多個(gè)負(fù)載消耗裝置提供所要提供的對應(yīng)電壓水平。2.如權(quán)利要求1所述的電池系統(tǒng)(1)，其中對應(yīng)的所述電池元件(I，2，24，η)能通過實(shí)現(xiàn)至少一個(gè)預(yù)先限定的調(diào)節(jié)目標(biāo)來被有意地加載。3.如權(quán)利要求1或2所述的電池系統(tǒng)(10)，其中能夠?qū)υ摱鄠€(gè)負(fù)載消耗裝置中的每一個(gè)提供不同的電壓水平，該對應(yīng)的負(fù)載消耗裝置是針對該電壓水平來設(shè)計(jì)和配置的。4.如權(quán)利要求1或2所述的電池系統(tǒng)(1)，其中該電池(9)和/或該多個(gè)電池元件(I，2，24,η)具有至少一個(gè)額外的電池分接點(diǎn)(7)，該電池分接點(diǎn)安排在該電池(9)和/或?qū)?yīng)的電池元件(I，2，24，η)的正極(8+)與負(fù)極(8-)之間并且能與其他額外的電池分接點(diǎn)(7)進(jìn)行組合并且能用于提供部分電壓，該部分電壓與該電池(9)在該正極(8+)與該負(fù)極(8-)之間所能提供的總電壓不同，該正極(8+)和該負(fù)極(8-)本身相應(yīng)地形成了一個(gè)電池分接點(diǎn)，其結(jié)果是該電池(9)具有至少三個(gè)電池分接點(diǎn)(7，8+，8-)。5.如權(quán)利要求4所述的電池系統(tǒng)(10)，其中該調(diào)節(jié)或控制單元(12)被配置成用于指令該切換單元(3)來切換所述切換元件(6)并且由此使得該多個(gè)電池元件(I，2，24，η)以被有意地加載的方式在所述電池分接點(diǎn)(7，8+，8_)之間來回切換。6.如權(quán)利要求5所述的電池系統(tǒng)(1)，該電池系統(tǒng)針對在該電池(9)的該正極(8+)與該負(fù)極(8-)之間的至少一對輸出端子(4)具有至少一對額外的輸出端子(5)，這對額外的輸出端子(5)提供的電壓至少間或地與該電池(9)在該正極(8+)與該負(fù)極(8-)之間所能提供的總電壓不同。7.如權(quán)利要求6所述的電池系統(tǒng)(IO )，其中至少一對輸出端子(4，5，5-1，5-2)具有至少一個(gè)切換元件(6)，該至少一個(gè)切換元件交替地將該至少一對輸出端子(4，5，5-1，5-2)電連接至所述電池分接點(diǎn)(7，8+，8_)的至少兩個(gè)不同組合上、或者根據(jù)其切換方向來將所述對斷開連接。8.如權(quán)利要求7所述的電池系統(tǒng)(10)，其中該調(diào)節(jié)或控制單元(12)被配置成用于指令該切換單元(3)以使得至少一對輸出端子(4，5，5-1，5-2)以電連接至不相同的至少兩對電池分接點(diǎn)(7，8+，8_)上、或者與之?dāng)嚅_連接的方式來切換該至少一個(gè)切換元件(6)。9.如權(quán)利要求7或8所述的電池系統(tǒng)(10)，其中額外的不同的至少兩對輸出端子(5，5_1，5-2)經(jīng)由該至少一個(gè)切換元件(6)而連接至電池分接點(diǎn)(7，8+，8_)的一個(gè)相關(guān)聯(lián)的不相同的組對集合。10.如權(quán)利要求7或8所述的電池系統(tǒng)(10)，該電池系統(tǒng)被配置成用于向至少一對輸出端子(4，5，5-1，5-2)提供多個(gè)電壓水平，且該電池系統(tǒng)能夠在該多個(gè)電壓水平之間間或地改變。11.如權(quán)利要求1或2所述的電池系統(tǒng)(10)，其中該至少一個(gè)切換元件(6)是半導(dǎo)體切換元件或整流元件(14)。12.如權(quán)利要求4所述的電池系統(tǒng)(IO )，其中所述電池分接點(diǎn)(7，8+，8-)將該電池(9)加以再劃分，其方式為使得每個(gè)電池元件(I，2，24，n)以同樣的頻度被不同的多對電池分接點(diǎn)(7，8+，8_)包圍。13.如權(quán)利要求4所述的電池系統(tǒng)(10)，其中，該調(diào)節(jié)或控制單元(12)被配置成用于指令該切換單元(3)以小于100赫茲(Hz)的轉(zhuǎn)換速率在所述電池分接點(diǎn)(7，8+，8-)的不同組合之間轉(zhuǎn)換。14.如權(quán)利要求13所述的電池系統(tǒng)(10)，其中，該調(diào)節(jié)或控制單元(12)被配置成用于指令該切換單元(3)以小于I赫茲(Hz)的轉(zhuǎn)換速率在電池分接點(diǎn)(7，8+，8-)的不同組合之間轉(zhuǎn)換。15.如權(quán)利要求1或2所述的電池系統(tǒng)(10)，該電池系統(tǒng)具有影響電流流動和/或所提供的電壓的另外多個(gè)電氣和/或電子元件和/或子組件(13，16，19，20，22，23)。16.—種用于控制至少一對輸出端子(4，5，5-1，5-2)與多個(gè)電池分接點(diǎn)(7，8+，8-)的至少一個(gè)組對之間的連接的電池控制件(30)，該電池控制件具有帶有至少一個(gè)調(diào)節(jié)器(25)的至少一個(gè)調(diào)節(jié)或控制單元(12)，并且該電池控制件通過對多個(gè)電池分接點(diǎn)(7，8+，8_)的這些組對的電壓的加權(quán)線性組合來對由該至少一對輸出端子(4，5，5-1，5-2)所要提供的電壓加以近似，該電池控制件(30)在多個(gè)電池分接點(diǎn)的這些組對之間隨著時(shí)間動態(tài)地改變;并且該電池控制件控制多個(gè)切換元件(6)處在使該至少一對輸出端子(4，5，5-1，5-2)與這些電池分接點(diǎn)(7，8+，8-)相連的位置中的臨時(shí)駐留時(shí)長(36)。17.如權(quán)利要求16所述的電池控制件(30)，該電池控制件將處于多個(gè)電池分接點(diǎn)(7、8+、8_)的、在一對輸出端子(4，5)與相關(guān)聯(lián)的多對電池分接點(diǎn)(7，8+，8_)之間相對應(yīng)的切換組對組合中的一部分臨時(shí)駐留時(shí)長(36)用作加權(quán)因子(miJ)。18.如權(quán)利要求16或17所述的電池控制件(30)，其中如果存在欠定的線性組合，則該電池控制件優(yōu)化另外一個(gè)次要條件并且實(shí)現(xiàn)至少一個(gè)另外的調(diào)節(jié)目標(biāo)。
【文檔編號】H01M10/44GK106099898SQ201610274710
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年4月28日 公開號201610274710.2, CN 106099898 A, CN 106099898A, CN 201610274710, CN-A-106099898, CN106099898 A, CN106099898A, CN201610274710, CN201610274710.2
【發(fā)明人】S·戈茨, R·鮑爾, H·施奧夫勒, J·米特納赫特
【申請人】保時(shí)捷股份公司