[发明专利]能量存储设备和具有能量存储设备的系统

说明书

技术领域

本发明涉及能量存储设备、尤其具有用于任意静止的和移动的应用的模块化电池系统的能量存储设备，以及具有能量存储设备的系统。

背景技术

所呈现的是，在未来不仅在静止的应用、例如风力发电装置或者太阳能设备中而且在车辆、如混合动力车辆或者电动车辆中，增多地使用电子系统，所述电子系统将功率电子设备的元件集成到所述能量存储系统中。

多相电流到电机中的馈入通常通过脉冲逆变器形式的变换器实现。对此由直流电压中间电路提供的直流电压可以被变换成多相交流电压、例如三相交流电压。所述直流电压中间电路在此由支线馈电，所述支线由串行接线的电池模块或者任意直流电压源组成。

为了能够满足对于相应的应用所给定的功率和能量要求，多个电池模块或者电池单元经常在能量存储系统中串联。

多个电池模块的刚性串联引起以下问题：如果单个电池模块发生故障，那么整个支线发生故障。能量供给支线的这样的故障可能导致整个系统的故障。此外单个电池模块的暂时地或者永久地发生的功率降低可能导致在整个能量供给支线中的功率降低。

在出版物US 5,642,275 A1和US 6,969,967 B2中，具有集成逆变器功能的电池系统被描述。该类型的系统以名称级联多电平变换器（Cascaded Multilevel Inverter）或者也以电池直接变换器（（Battery Direct Inverter）电池直接变换器, BDI）而公知。这样的系统在多个能量存储模块支线中包括直流电流源，所述能量存储模块支线可直接连接到电机或者电网上。在此单相或者多相供给电压可以被生成。所述能量存储模块支线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能量存储单元和所分配的可控耦合单元，所述可控耦合单元允许根据控制信号来中断相应的能量存储模块支线，或者跨接分别所分配的至少一个能量存储单元，或者将分别所分配的至少一个能量存储单元接入相应的能量存储模块支线中。通过合适地操控耦合单元，例如借助于脉冲宽度调制，还可以提供合适的相信号用于控制相输出电压，使得可以放弃单独的脉冲逆变器。用于控制相输出电压所需的脉冲逆变器因此可以说被集成到BDI中。

相比于传统的系统，BDI通常具有更高的效率和更高的故障安全性。所述故障安全性此外通过以下方式被保证，即有缺陷的、发生故障的或者不完全有效率的电池单元可以通过对耦合单元的合适的跨接操控从能量供给支线断开（herausschalten）。能量存储模块支线的相输出电压可以通过相应地操控耦合单元被改变并且尤其有阶梯地被调整。输出电压的分级在此由单个能量存储模块的电压得出，其中最大可能的相输出电压通过能量存储模块支线的所有能量存储模块的电压的总和被确定。

出版物DE 10 2010 027 857 A1和DE 10 2010 027 861 A1例如公开具有多个电池模块支线的电池直接变换器，所述电池模块支线可直接地连接到电机上。

在此，所述能量存储模块支线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能量存储单元和所分配的可控耦合单元，所述可控耦合单元允许根据控制信号跨接分别所分配的至少一个能量存储单元，或者将分别所分配的至少一个能量存储单元接入相应的能量存储模块支线中。可选择地，所述耦合单元可以这样地构成，使得所述耦合单元附加地允许，将分别所分配的至少一个能量存储单元也以相反的极性接入相应的能量存储模块支线中，或者在分模块处也中断相应的能量存储模块支线并且同时跨接该分模块，或者也跨接分别所分配的至少一个能量存储单元。

为了调整能量存储模块的输出电压，可以以脉冲宽度调制（PWM）的方式操控耦合单元。由此可能的是，通过有针对性地改变接通时间或关断时间作为能量存储模块电压输出期望的平均值。

具有大数量耦合单元的BDI经常具有较高的导通损耗，其尤其在高负载电流的情况下降低BDI的效能。

因此存在需求、即用于具有模块化构造的能量存储设备的解决方案，其减少所需要的功率开关的数量，而可以不使用脉冲宽度调制操控方法，并且能够实现更灵活的充电操控策略。

发明内容