[发明专利]电池系统中用于能量传输的开关调节器串联电路

说明书

背景技术

对在固定的应用如风力发电设备和应急电源系统以及其在车辆中使用的电池系统的需求持续增加。所有这些应用均对可靠性和故障安全性有较高要求。原因在于：一个由电池系统引起的电压供给完全故障能够导致整个系统的故障。所以在风力发电设备中使用电池，以便在强风时调节转动叶片且保护设备免受过量的机械负载，此种负载可能会对风力发电设备产生伤害甚至将其毁坏。在电动汽车的电池故障的情况下车辆是不能开动的。应急电源系统应该恰好重新确保如救护车不中断运行并且因此应急电源系统本身尽可能不要发生故障。

为了能够提供用于各种应用所要求的功率和能量，各电池单元被串联地且除此之外另外并联地连接起来。图1描绘了电池串联电路的一个电路原理图。大量电池单元10-1至10-n被串联连接起来，以便通过累加单个电池单元10-1，......，10-n的电压来达到比如汽车中电动发动机所要求的高工作电压。此高工作电压能够通过输出侧开关11-1，11-2由接下来的未示出的功率电子器件如逆变器去耦。因为电池总输出电流由于电池单元10-1，......，10-n的串联而流经每个电池单元10-1，......，10-n，其中在电池单元10-1，......，10-n内部通过电化学过程产生电荷迁移，在极端状况下单个电池单元的故障意味着整个装置不能再提供电流，并且因此不能再提供电能。为了能够及时识别电池单元10-1，......，10-n具有威胁性的故障，通常会应用所谓的电池管理系统12，此电池管理系统与各电池单元10-1，......，10-n的两极已连接或者可连接并以固定或者可选的间隔确定各电池单元10-1，......，10-n运行参数，如电压、温度，并由此确定其充电状态(State of Charge，SoC)。这意味着电池系统电子运行数据低灵活性的同时的高花费。

大量电池单元串联还有如下缺点：

1.针对将用电池驱动的设备的不同运行状态，设置关于所提供的工作电压、最大电流和存储能量的条件，只有当多于实现各种要求实际必需的电池单元被耦接起来时，这些条件才能一致。这会提高价格且特别是用于电动汽车时会增加电池系统的有影响的重量和体积。

2.因为通过串联电路累加各个电池单元电压，在直至1000V的高压下实现电池安装，即各个电池单元的联接，因此单个或者整个模块电池的更换不能在本地的工场进行，或在固定的应用情况下只能由经过特殊培训的专业人员用专业工具进行。由此在故障情况下的电池系统维护产生高物流费用。

3.为了不带电压地关断电池系统，这就是说把本来的电池和负载分开，必须设计功率开关11-1和11-2，其典型地被实现为继电器且用于期望高电流和电压的继电器是非常昂贵的。

发明内容

本发明的任务是引入一种能够克服背景技术中所述缺点的装置。

本发明的第一个方面涉及用于电池系统的能量传输器，此能量传输器包含各自具有两个输入端和两个输出端的第一和第二初级DC/DC转换器，其中输入端被构造为用于连接电池模块，且其中第一和第二初级DC/DC转换器在输出侧串联连接。依据本发明此能量传输器包含至少一个具有两个输入端和一个第一输出端的第一次级DC/DC转换器，其两个输入端与第二初级DC/DC转换器的输出端相连接，并且其第一输出端与第一初级DC/DC转换器输出端之一相连接。

本发明具有优点：在输出侧串联连接的初级DC/DC转换器产生不依赖于电池模块的电压并因此不依赖于其充电状态的可选输出电压，其中和第一、第二初级DC/DC转换器相连接的电池模块能够加不同强度的负荷。通过第一次级DC/DC转换器使这一点成为可能，其输入端与第二初级DC/DC转换器的输出端相连接，并且当第一次级DC/DC转换器被激活时从第二初级DC/DC转换器获取能量且将其通过与第一初级DC/DC转换器的输出端相连接的第一输出端传输。由此减轻第一初级DC/DC转换器及连接在其输入侧的电池模块的负荷。本发明以此方式允许所谓的负荷平衡(Load-Balancing)，其中每个电池模块的充电状态尽可能的一样，以至于没有电池单元放电到临界值以下，尽管其他电池单元还能够提供更多能量。

此外DC/DC转换器的引入使得选择视运行情况而定的合适的总电压成为可能，因为各个DC/DC转换器的输出电压能够以已知方式调整。除此之外输出电压不依赖于初级侧所连接的电池单元数量。由此电池系统的设计能够只根据能量和功率标准而不依赖于各种应用所要求的总电压来进行。另一个优点是：能够不采用昂贵的继电器11-1、11-2，因为电池输出端的高电压能够通过断开DC/DC转换器轻松断开。