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CN110281810A - 智能电池的直流充电 - Google Patents

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Abstract

一种用于给带有至少两个电池模块的、与充电桩连接的智能电池组(122，123，124)进行直流充电的方法，这些电池模块分别包括至少两个功率半导体开关和至少一个储能器，其中该电池组通过连接电路来进行切换以用于充电，并且每个单独的储能器的状态被监控，其中根据对相应的储能器的状态的持续分析，通过控制这些功率半导体开关来对该电池组(122，123，124)内部的相应电池模块彼此之间的相应的串联和/或并联电路连接进行动态配置。

Description

智能电池的直流充电
技术领域
本发明涉及用于进行直流充电的一种方法和一种智能电池组，其中所述电池组由多个电池模块构成，这些电池模块分别配备有至少两个功率半导体开关和至少一个储能器。这里要描述的是，使智能电池组的电压值适配于充电源的静态或动态情况。
背景技术
目前，电动车辆中普遍安装的电池组为固定接线的单元，例如无法改变其既定的串联-并联配置或电路连接方式的单独电池单体。这意味着，放电时(例如在功率逆变器中)使用的电压和充电时的电压一样。固定的接线决定了电池组在满电量且无老化现象时的最大电压。如果电量下降，固定接线的电池组的电压可能最多减少50％。
在标准情况下，电池组也不会配备其他直流充电控制部件。充电插口与电池或电池组的接线点直接相连，无任何电流绝缘措施，其中充电功率由充电控制器决定。因此，常规电池组只能通过受控的直流充电源以规定的电压值进行充电，其中典型的电压值为400V和800V。如果电池组的额定电压高于充电桩可设定的最大充电电压，则所述电池组就无法在该充电桩上充电。
此外，对于常规电池组，充电期间单独电池单体或电池模块在单独电池模块中包括的相应储能器的相应电量方面无法实现补偿。为此，通常在电池组即将充满之前中断充电，主动或被动地对电池单体进行补偿，然后再继续充电。这个过程一直重复，直至电池组的电量达到大约100％。
相比电池组的常规实现方式，已知对电池单体固定接线的修改。例如，文件DE 102014 004 790 A1就公开了一种切换装置，该切换装置在充电时可以将两个并联的储能器、即相当于两个电池单体切换成串联的形式。这里，将测定车辆外部电源的充电条件并根据该充电条件控制切换装置的动作。这么做的有利之处在于互联储能器，使其可以用更高的充电电压、从而以更短的充电时间进行充电。
文件DE 10 2015 211 683 A1中描述了一种通过带有多个模块的缓冲电池系统在下游对储能器进行充电的方法。充电时，这些模块在电网中彼此相连，使得缓冲电池系统的电压小于电网的峰值电压。然后，给储能器充电时，这些模块将适当地重新配置。
文件US 2014197684 A描述了一种对次级电池单体的串联电路进行配置的控制单元。根据太阳能电池的输出电压值，串联相应数量的次级电池单体。
发明内容
在此背景下，本发明的一个目的是，提供一种用于对电池组进行直流充电的方法，其中电池单体可以根据对充电桩电压值的要求或根据单独电池单体的电量而自由连接，无需受限于电路技术的要求而配备接触器、相对较大且重的电子部件或类似的电池单体安全装置。此外，本发明的目的是，提供一种用于执行这种方法的对应的智能电池组。
为了实现前述目的，提出一种用于对带有至少两个电池模块的、与充电桩连接的智能电池组进行直流充电(DC充电)的方法，这些电池模块分别包括至少两个功率半导体开关和至少一个储能器，其中电池组通过连接电路进行切换以用于充电，并且
每个储能器的状态被监控，其中根据对相应的储能器的状态的持续分析，通过控制这些功率半导体开关来对该电池组内部的相应电池模块彼此之间的相应的串联和/或并联电路连接进行动态配置。根据电池模块的电路连接，这里将达到比根据放电情况设计的电池组标称电压值更高或更低的电压值。因此，这样的电池组可以用与其标称电压值无关的充电桩电压值进行充电，并且在充电之后可以采用对运行(例如给电动机供电)来说最佳的电路连接(例如多个电池模块并联)。这里，相应的储能器可以由诸如化学电源或燃料电池或其他储能单元构成。相应储能器的状态可能与一定的充电程度、充电循环次数、预估寿命(本领域技术人员称之为健康状态，简称SOH)、深度放电次数或其他标示储能器性能的参数有关。
在根据本发明的方法的一个实施方式中，电路连接时将在串联相邻电池模块与并联相邻电池模块之间进行动态选择。也可以设想，通过功率半导体开关动态相互连接多个电池模块，而不只是相邻的电池模块。
在根据本发明的方法的另一个实施方式中，在电池组内部进行电路连接绕开(旁路)至少一个电池模块。例如，当某个电池模块的状态或电池模块所包括的至少一个储能器的状态超过预先确定的作为满电状态的电量极限时就可以这么做。尤其是在某个储能器失效(例如因老化而失效)时，绕开该储能器为整个电池组的继续运行提供了保障。
在根据本发明的方法的一个实施方式中，通过这些电池模块相应的、合适的电路连接来执行不同的充电模式。例如，可考虑的充电模式有：保护储能器寿命的充电方式(例如夜间充电)、快速充电、充至预先确定的总充电容量百分比的部分充电，或使用额外的电源(例如交流电源)。
在根据本发明的一个实施方式中，通过电池模块的适当的电路连接而在单独电池模块或其储能器之间进行能量交换。为此，在电池组充电过程中，在一个相应的电池模块上，相应的至少一个储能器的状态监控装置显示其具有比另一个电池模块低的电量时，该电池模块将与另一个电池模块并联，使得这两个电池模块或其储能器之间可以进行能量交换。考虑到往一个储能器j流动的、以时间点t之前测量的部分电池充电电流iTB,j进行的充电过程
时可以进行这种交换。
根据本发明的另一个实施方式中，通过对这些电池模块的合适的电路连接，在对相应的储能器而言理想的电气、化学和热条件下，对电池模块进行直流充电。根据对相应储能器类型和状态的了解，充电可以在规定的最佳条件下完成。例如，为了达到最佳的运行温度，可以加热电池组，尤其可在连接到充电桩后通过该充电桩为加热供电，从而对于电池组而言可以实现无损耗。与此相对，如果在储能器充电过程中超过规定的温度极限，可以降低流向储能器的充电电流，必要时可以通过改变包括相关储能器的电池模块的电路连接来降低。此外，化学电源的电压值可以根据其典型的最优充电曲线通过电池模块的电路连接有利地进行调节。
根据本发明的方法的一个实施方式中，持续地、在适当时周期性地测定未受控的、与该电池组连接的充电桩的电压值，并且以如下方式来控制这些电池模块的电路连接，使得该电池组的电压值始终小于或等于该充电桩的电压值。只有当通过电池模块的相应电路连接所引起的电池组的电压值低于充电桩的相应电压值时，连接电路才会允许电池组充电。此时，可以在其电压值小于或等于电池组最大电压值(该值为电池组所有储能器串联后的电压值)的任何充电桩上充电。优选对电池模块的电路连接进行控制，以达到对电池组而言最大可能的电压值，即刚好小于或等于测定的充电桩电压值，至少不高于该电压值。为此，将通过控制电池模块的功率半导体开关来调整串联或并联电路连接。
在根据本发明的方法的另一个实施方式中，针对完全未受控的、与电池组相连的充电桩，智能电池组进行电流调节，其中该电池组的电压值通过这些电池模块彼此之间的串联和/或并联电路连接以连续的方式进行控制，以产生规定的电流。为了平滑地执行，即电流的调节不受相应串联-并联配置的不连续转换级的影响，连接电路可以有电感器作为辅助的电气部件。或者，电感器也可以通过连接线缆产生并且由此已经具有足够的大小。
在根据本发明的方法的另一个实施方式中，电池组的电压值是通过交替地接通和切断在串联电路中与其余电池组或剩余的电池模块或其他电池模块连接的单独电池模块来实现的。在接通与切断之间进行切换的频率或次数，取决于电池组中储能器对是否存在电压的反应惯性。如果该频率足够大，则可以对不是单纯由串联-并联配置产生的电压数值进行调整。通过相同的方式，在电流调节中也可以通过该方法实现更细致的转换级。
在根据本发明的方法的一个实施方式中，由于改变这些电池模块的电路连接而产生的冲击电流由滤波器来补偿。通过改变电路连接，电池组连接电路和充电桩之间可能会突然出现导致冲击电流的电压差。有利的是，这种冲击电流通过位于充电桩连接电路和电池组之间的滤波器进行补偿。
在根据本发明的方法的一个实施方式中，对流动的充电电流进行测量并根据单独的储能器的相应状态来调节该充电电流。通过决定了电池组的电压值的电池模块的串联和并联电路的配置进行调节。通过将充电电流最小化，随后中断与充电桩的连接电路，即结束充电。
在根据本发明的方法的另一个实施方式中，以如下方式来控制这些电池模块的电路连接，使得该电池组充电时处于理想状态，其中该理想状态是根据该充电桩的最大效率点，或根据由该充电桩、该电池组和该连接电路所构成的整体系统的最大效率点，或根据能够使该电池组在快速充电时具有最小程度的老化的最佳充电时间曲线来选择的。当设计的串联-并联配置使得根据电池模块的相应充电状态能够从充电桩向电池组传输最大能量时，所述电池组即具有理想状态。例如可以通过所谓的“干扰观测”(Perturb-and-observe)法，在充电过程中对所述理想状态进行一次性或持续的测定。这里，在按规定的时间间隔连续执行根据本发明的方法的过程中，电池组的电池模块的串联-并联配置将在多个自由度方向中发生变化(类似于数学中的坡度确定方法)，以辨别配置是接近还是远离相应所选的理想状态。充电桩能够无波动地提供的且能够保证充电桩具有最大能量传输能力的充电电压和充电电流组合构成了充电桩的最大效率点。
此外，如图3所示，电池组遵循从现有技术中已知的充电曲线。在这里，以空载状态为起点，充电曲线首先是受电压控制的，然后在充电结束时是受电流控制的。这两个区域都可以由电池组或充电桩进行调节。
此外，还要求保护一种可以与充电桩连接以进行直流充电的电池组，其中该电池组包括：至少两个电池模块，这些电池模块分别包括至少两个功率半导体开关和与该至少两个功率半导体开关电气连接的储能器；用于确定相应储能器的状态的多个传感器；指配给每个电池模块的用于测量流动的充电电流的传感器；以及配备有计算机处理器和在该计算机处理器上运行的计算机程序的控制单元，其中该电池组被设计成用于执行前面所述的方法。计算机处理器和在该计算机处理器上运行的计算机程序与所安装的传感器一起构成了电池组的智能单元，据此根据前述方法之一进行电路连接。
在根据本发明的电池组的设计方案中，电池组还额外地包括带滤波器的连接电路，所述电池组可以通过该连接电路与充电桩连接。
最后，要求保护一种配备有根据本发明的电池组并且被配置成用于执行根据本发明的方法的机动车辆。
总之，本申请公开了如下项1和13的技术方案，如下项2-12和14和15为优选的实施方案：
1.一种用于给带有至少两个电池模块的、与充电桩连接的智能电池组进行直流充电的方法，这些电池模块分别包括至少两个功率半导体开关和至少一个储能器，其中该电池组通过连接电路来进行切换以用于充电，并且每个单独的储能器的状态被监控，其中根据对相应的储能器的状态的持续分析，通过控制这些功率半导体开关来对该电池组内部的相应电池模块彼此之间的相应的串联和/或并联电路连接进行动态配置。
2.根据前述项1所述的方法，其中在串联相邻电池模块与并联相邻电池模块之间进行动态选择。
3.根据前述项之一所述的方法，其中在该电池组内部进行电路连接时绕开至少一个电池模块。
4.根据前述项之一所述的方法，其中通过这些电池模块相应的、合适的电路连接来执行不同的充电模式。
5.根据前述项之一所述的方法，其中通过电池模块的合适的电路连接在单独电池模块之间进行能量交换。
6.根据前述项之一所述的方法，其中通过对这些电池模块的合适的电路连接，在对相应的储能器而言理想的电气、化学和热条件下，对电池模块进行直流充电。
7.根据前述项之一所述的方法，其中测定未受控的、与该电池组连接的充电桩的电压值，并且以如下方式来控制这些电池模块的电路连接，使得该电池组的电压值始终小于或等于该充电桩的电压值。
8.根据前述项1至6之一所述的方法，其中与该充电桩相连的智能电池组进行电流调节，其中该电池组的电压值通过这些电池模块彼此之间的串联和/或并联电路连接以连续的方式进行控制，以产生规定的电流。
9.根据前述项之一所述的方法，其中该电池组的电压值是通过交替地接通和切断在串联电路中与该电池组的剩余电池模块连接的单独电池模块来实现的。
10.根据前述项之一所述的方法，其中由于改变这些电池模块的电路连接而产生的冲击电流由滤波器来补偿。
11.根据前述项之一所述的方法，其中对流动的充电电流进行测量，并根据这些单独的储能器的相应状态通过动态配置来调节该充电电流。
12.根据前述项之一所述的方法，其中以如下方式来控制这些电池模块的电路连接，使得该电池组充电时处于理想状态，其中该理想状态是根据该充电桩的最大效率点，或根据由该充电桩、该电池组和该连接电路所构成的整体系统的最大效率点，或根据能够使该电池组具有最小程度的老化的最佳充电时间曲线来选择的。
13.一种电池组，该电池组包括：至少两个电池模块，这些电池模块分别包括至少两个功率半导体开关和与该至少两个功率半导体开关电气连接的储能器；用于确定相应储能器的状态的多个传感器；指配给每个电池模块的用于测量流动的充电电流的传感器；以及配备有计算机处理器和在该计算机处理器上运行的计算机程序的控制单元，其中该电池组被设计成用于执行根据前述项之一所述的方法。
14.根据前述项13所述的电池组，该电池组额外地包括带有电感器的连接电路。
15.根据前述项13或14所述的电池组，该电池组额外地包括带有滤波器的连接电路。
附图说明
本发明的其他优点和设计方案通过说明书和附图得出。
不言而喻，在不脱离本发明发范围的情况下，以上提到的这些特征以及仍将在以下说明的特征不仅能够在相应给出的组合中使用，而且还可以在其他组合中或者单独地使用。
图1以示意图示例性地展示了根据本发明的电池组的一个实施方式可采用的不同配置。
图2以示意图展示了根据本发明的电池组的另一个实施方式通过滤波器连接到充电桩。
图3展示了从现有技术已知的、与充电桩相连的电池组充电时的充电曲线的曲线图。
图4以表格图展示了电池模块的通过根据本发明的方法的实施方式的可能实现方式。
图5以示意图展示了根据本发明的方法的一个实施方式中智能电池组的组合。
具体实施方式
图1以示意图100示例性地展示了根据本发明的电池组可以采用的不同配置112、122、123、124，除此之外还有根据现有技术的电池组111、121。左栏110展示的是常规电池组和根据本发明的电池组放电时采用的标称配置111、112，而右栏120中展示的是充电时采用的配置121、122、123、124。上面一行101中展示的是由单独一个大电池模块构成的常规电池组111、121，其单独储能器按固定的串联-并联配置彼此连接。所述的固定接线决定了标称电压值Un，该值是电池模块充满电时电池组的最大电压并且被提供用于电路放电131，或必须在充电141时施加为充电电压UCH＝Un。下面一行102中示出的是智能电池组112、122、123、124，左侧展示的是标称的放电配置112。示例中，在配置112中，分别与功率半导体开关彼此并联的两个电池模块串联在一起，并且具有供电路放电132时使用的标称电压值Un。行102中所示的电池组112、122、123、124的每一个电池模块包括至少一个储能器，并且在包括多个储能器的情况下，同样可以在内部通过功率半导体开关进行串联-并联连接。最后，在下面行102中、在右列120中展示了通过根据本发明的方法的一个实施方式连接的不同的电池组122、123、124。根据配置不同，需要有充电电压UCH的不同电压值进行充电。例如，所有电池模块122串联时要求以可请求的最大充电电压UCH,最大＝2Un进行充电142，与标称配置112相符的配置123在充电143时需要充电电压UCH＝Un，完全并联的电池模块在充电144时则需要充电电压UCH＝Un/2。
图2以示意图展示了根据本发明的电池组206的一个实施方式通过滤波器204连接208到充电桩202上的连接电路200。通过重新配置电池组的电池模块和随之改变的电路连接，电池组的接口208与充电桩202之间可能会突然出现导致冲击电流的电压差。有利的是，这种冲击电流通过位于接口208和电池组206之间的滤波器204进行补偿。
图3展示了从现有技术已知的、与充电桩相连的电池组充电时的充电曲线的曲线图300。在此，往右是一条时间轴302，往上是相应充电电压321、322、323或充电电流311、312、313的数值304。以空载状态为起点，在第一个时间段331中，充电过程首先是受电压控制的，即充电电压321增加，而充电电流311保持恒定。在第二个时间段332内，充电过程是受电流控制的，其中充电电压322几乎是恒定的，而充电电流312下降。充电过程在所谓的“断开点”306上中断，伴随充电电压终值323和充电电流终值313。所述充电电流终值313可以为充电电流311值的5％。两个时间段331和332内的调节可以由电池组或充电桩来完成。
图4以表格图400展示了电池模块的通过根据本发明的方法的实施方式的可能实现方式。左栏410列出了不同的拓扑结构410，通过相应拓扑结构410中存在的功率半导体开关的相应连接方式，这些拓扑结构允许不同的连接状态420。所列出的拓扑结构410分别展示了一个带有八个功率半导体开关的多电平转换器401、一个带有六个功率半导体开关的多电平转换器402、另一个带有六个功率半导体开关的多电平转换器403(采用与多电平转换器402不同的所谓微拓扑结构或带有六个功率半导体开关的可能的拓扑结构的模块电路)、一个带有五个功率半导体开关的多电平转换器404和一个带有三个功率半导体开关的多电平转换器405。为了实现所需的连接状态420，在有些应用中不需要功率半导体开关的每种连接方式，这使得配备八个功率半导体开关的多电平转换器201的某些功率半导体开关变得多余。因此，所需的连接状态420越少，例如这里所列出的连接状态“S+”421、连接状态“S-”422、连接状态“P”423、连接状态“B+”424和连接状态“B-”425，就能节省越多的功率半导体开关。例如，如果不需要连接状态420中的连接状态“S-”422，则可以使用仅配备三个功率半导体开关的多电平转换器405。与充电电流相关的、充电桩与电池模块之间的线路总电阻，由电池模块的电量和线路中连接的、即在线路中闭合的功率半导体开关的数量决定。根据存在的微拓扑结构，不同的连接方式将具有不同的充电电流总电阻。更多的微拓扑结构可参见专利说明书DE 10 2015 112 513、DE 10 2016 112 250、DE 10 2015 112 512、DE10 2011 108 920和DE 10 2010 052 934。
图5以示意图展示了根据本发明的方法的一个实施方式的智能电池组532的组合510、520、530。在第一个步骤中，多个515电池单体514通过线路元件513和一个电子装置511与多个功率半导体开关512连接，从而构成第二个步骤520中的电池模块521。在第三个步骤530中，多个电池模块531构成所述的智能电池组532。

Claims (15)

1.一种用于给带有至少两个电池模块的、与充电桩(202)连接的智能电池组(122，123，124，206)进行直流充电的方法，这些电池模块分别包括至少两个功率半导体开关和至少一个储能器，其中该电池组通过连接电路(200)来进行切换以用于充电，并且每个单独的储能器的状态被监控，其中根据对相应的储能器的状态的持续分析，通过控制这些功率半导体开关来对该电池组(122，123，124，206)内部的相应电池模块彼此之间的相应的串联和/或并联电路连接进行动态配置。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在串联(122)相邻电池模块与并联(124)相邻电池模块之间进行动态选择。
3.根据以上权利要求之一所述的方法，其中在该电池组内部进行电路连接时绕开至少一个电池模块。
4.根据以上权利要求之一所述的方法，其中通过这些电池模块相应的、合适的电路连接来执行不同的充电模式。
5.根据以上权利要求之一所述的方法，其中通过电池模块的合适的电路连接在单独电池模块之间进行能量交换。
6.根据以上权利要求之一所述的方法，其中通过对这些电池模块的合适的电路连接，在对相应的储能器而言理想的电气、化学和热条件下，对电池模块进行直流充电。
7.根据以上权利要求之一所述的方法，其中测定未受控的、与该电池组(122，123，124)连接的充电桩的电压值，并且以如下方式来控制这些电池模块的电路连接，使得该电池组(122，123，124)的电压值(142，143，144)始终小于或等于该充电桩的电压值。
8.根据权利要求1至6之一所述的方法，其中与该充电桩相连的智能电池组(122，123，124)进行电流调节，其中该电池组(122，123，124)的电压值(142，143，144)通过这些电池模块彼此之间的串联和/或并联电路连接以连续的方式进行控制，以产生规定的电流。
9.根据以上权利要求之一所述的方法，其中该电池组的电压值是通过交替地接通和切断在串联电路中与该电池组的剩余电池模块连接的单独电池模块来实现的。
10.根据以上权利要求之一所述的方法，其中由于改变这些电池模块的电路连接而产生的冲击电流由滤波器(204)来补偿。
11.根据以上权利要求之一所述的方法，其中对流动的充电电流进行测量，并根据这些单独的储能器的相应状态通过动态配置来调节该充电电流。
12.根据以上权利要求之一所述的方法，其中以如下方式来控制这些电池模块的电路连接，使得该电池组充电时处于理想状态，其中该理想状态是根据该充电桩的最大效率点，或根据由该充电桩、该电池组和该连接电路所构成的整体系统的最大效率点，或根据能够使该电池组具有最小程度的老化的最佳充电时间曲线来选择的。
13.一种电池组(122，123，124)，该电池组包括：至少两个电池模块，这些电池模块分别包括至少两个功率半导体开关和与该至少两个功率半导体开关电气连接的储能器；用于确定相应储能器的状态的多个传感器；指配给每个电池模块的用于测量流动的充电电流的传感器；以及配备有计算机处理器和在该计算机处理器上运行的计算机程序的控制单元，其中该电池组(122，123，124)被设计成用于执行根据以上权利要求之一所述的方法。
14.根据权利要求13所述的电池组(122，123，124)，该电池组额外地包括带有电感器的连接电路。
15.根据权利要求13或14所述的电池组(122，123，124)，该电池组额外地包括带有滤波器(204)的连接电路(200)。
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