用于能电驱动的运输工具的储能器

技术领域

本发明涉及一种储能器、尤其是用于能电驱动的运输工具的储能器。本发明尤其涉及一种储能器的灵活且能量高效的运行方式。

背景技术

目前的电动车解决方案除了包含无源连接的电池组之外，还包含有源部件，所述有源的部件包括逆变器、DC-DC转换器、附加的12V/48V电池、能量转换单元(能量转换器，PCU)、软启动保护装置和充电调节器。这是一个有时费事且成本密集的系统。由于各个(例如具有3.7V的单源电压的)电池单元的无源连接和由制造决定的在内电阻和容量方面的差异，在运行时也导致单电池单元的载荷明显不同和可能的进一步的彼此漂移(Auseinanderdriften)。因此，整个电池组的容量根据具有最差健康状态或者说最差充电状态的电池单元的性能来确定，由此，使得有必要预先将可用容量限制在额定容量的60％至80％，以便避免具有最低容量的电池单元进行有害的深度放电。本发明追求以下任务：将功能转移到各个电池单元中，使得每个单个的电池单元也能够优化地被利用或能够优化地对外部功率取用(行驶运行、工作运行或者类似物)或者功率供应(充电运行、再生运行或者类似物)做出反应并且在需要时能够做出贡献。

发明内容

为此，本发明提出一种系统，该系统例如具有ASIC、传感器和开关，该系统能够实现在每个单个电池单元上。换言之，智能的电池单元能够作为基本单元用于本发明。各个电池单元的或各个系统的ASIC包含：存储器/数据存储器，所述存储器/数据存储器具有明确标识，使得每个电池单元是明确地配属的；和传感器，所述传感器识别并且保存例如温度、电流、充/放电循环的次数、电池单元电压和可能出现的电池单元故障例如深度放电、高温等。总线系统使得每个单个电池单元能够与负载或者充电站通信。在每个单个电池单元上的有源开关(例如MOSFET)能够使各种电池单元串联和/或并联并且能够给不同的外部的负载施加相应的电压。各个电池单元的各个系统的每个ASIC上的算法能够使对应的电池单元能评价：单个电池单元能够如何有助于功率要求，或者这在当前情况下是否不合理。

换言之，上述任务通过一种储能器来解决，该储能器具有壳体、第一多个存储电池单元、第二多个存储电池单元、第一电接头组件、第二电接头组件和开关装置。该壳体例如能够由塑料制成，以便确保耐酸性并且对腐蚀不敏感。第一多个存储电池单元中的存储电池单元例如能够构型为功率电池单元、能量电池单元，并且替代地或者附加地能够构型为前述电池单元的混合物。为此，所述第一多个存储电池单元中的个别存储电池单元全部存储电池单元也能够构型为超级电容器。相应情况适用于第二多个存储电池单元。尤其，第一多个存储电池单元能够具有与第二多个存储电池单元不同性质的存储电池单元。尤其，第一多个存储电池单元中的全部存储电池单元具有与第二多个存储电池单元不同的性质(和/或反过来)。第一电接头组件和第二电接头组件能够设置为用于给外部的负载供给来自储能器或者说来自存储电池单元的电能。在此，能够通过第一电接头组件尤其独立于第二电接头组件给电负载供给电能。尤其，第一电接头组件和第二电接头组件设置为用于输出不同的电压，其方式是，所述第一电接头组件和所述第二电接头组件与不同的多个存储电池单元电连接。为此，第一多个存储电池单元能够与第一电接头组件连接，同时第二多个存储电池单元与第二电接头组件连接。此外，开关装置设置为用于，可选地也将第一多个存储电池单元与第二多个存储电池单元电连接。以这种方式，存储电池单元的能量、电压和/或电流强度可以可选地经由第一电接头组件、第二电接头组件和/或不但通过第一电接头组件而且通过第二电接头组件从储能器中输出。开关装置能够设置为用于，根据待由储能器供给电能的做功机械或相应的运输工具的运行状态来操作。以这种方式能够通过不同的端电压特征在能量上供给储能器的存储电池单元，与在现有技术中已知的组件相比，这改善根据本发明的储能器的使用。

从属权利要求示出本发明的优选扩展方案。

第一接头组件和/或第二接头组件可以分别具有至少两个电触点，存储电池单元的电能能够通过所述电触点传输。即，视储能器的使用目的或工作模式而定，能通过对应的电触点将第一多个存储电池单元的电能传输给第二多个存储电池单元和/或将电能输出给布置在壳体之外的负载。借助于储能器的开关装置实现对各个电触点的电加载。尤其，也对激活在根据本发明的储能器内的开关装置的必要性进行分析。这提高了在使用根据本发明的储能器的情况下的灵活性，并且省去更高级别的逻辑/控制单元和与此相关的布线耗费。

如果在本公开内容的范畴中提及“能量电池单元”，则这涉及到多个存储电池单元的基本上设置为用于提供高能量的特性。换言之，被称为能量电池单元的存储电池单元具有尽可能高的能量容量。与此相反，“功率电池单元”指的是基本上设置为用于输出高电功率的多个存储电池单元。功率电池单元的最大功率输出尤其与其能量容量相比能够明显高于前述能量电池单元的最大功率输出。通过使用具有不同特征的存储电池单元，通过根据本发明的储能器能够以特别适合且灵活的方式对用于提供电能的请求做出反应。

开关装置例如能够设置为用于，响应于第一(外部的)负载的能量供给请求，将第一多个存储电池单元和第二多个存储电池单元彼此电解耦，并且将第一多个存储电池单元或者第二多个存储电池单元与第一接头组件电连接。即，第一负载经由第一接头组件与储能器电连接并且与第一多个存储电池单元中的包含在该储能器中的存储电池单元电连接。同时，第一负载能够与第二多个存储电池单元电解耦，使得第二多个存储电池单元不被第一负载加载并且不受限地可供用于供给其他外部负载。以这种方式，不必在电负载的供给方面做出妥协，使得例如能够通过不被另外的(例如功率密集的)负载加载的多个存储电池单元来供给对电压敏感的电负载。因此，第一负载的电特征参量能够尽可能良好地通过第一多个存储电池单元来满足。

根据本发明的储能器的开关装置能够设置为用于，根据第一负载的额定电压将该第一负载与第一多个存储电池单元或者与第二多个存储电池单元电连接。换言之，第一电负载的实际功率消耗能够决定，开关装置是认为将第一负载与第二多个存储电池单元电连接而不与第一多个存储电池单元电连接还是替代地将第一负载不仅与第一多个存储电池单元电连接而且与第二多个存储电池单元电连接是有帮助的。替代地，在知道待通过储能器供电的负载和其特征参量的情况下，在从储能器中得到电能之前，开关装置就已能够做出决定：通过第一多个存储电池单元和/或通过第二多个存储电池单元是否能够更好地给第一负载供给电能。该决定也能够在考虑当前由电储能器供给能量或者未来应由电储能器供给能量的另外的负载的情况下作出。以这种方式能够尽可能好地且以尽可能低的转化损失通过包含在储能器中的存储电池单元给待供给的电负载供给电能。

根据本发明，每个存储电池单元能够具有分析评价单元，该分析评价单元设置为用于，响应于请求并且根据自身的健康状态和/或充电状态来决定，该分析评价单元是否应与第一电接头组件和/或与第二电接头组件连接。“分析评价单元”能够理解为各个存储电池单元的“智能”，使得在根据本发明的储能器内有多个智能的存储电池单元。这些智能的存储电池单元能够形成“群体智能”。通过这种方式能够减小在根据本发明构型的储能器内的发信号需求。尤其，能够省去存储电池单元之间的数据通信线路，其方式是，每个存储电池单元具有各自的分析评价单元。分析评价单元能够具有通信单元或者与这种通信单元在信息技术上连接。尤其，通信单元能够相应于分析评价单元地包含在每个存储电池单元中。此外，存储电池单元内的各自的传感器单元能够与分析评价单元在信息技术上联接。以这种方式，存储电池单元能够尽可能良好地监测自身的有效功率、自身的充电状态和自身的健康状态并且根据前述参量独立地决定，该存储电池单元是否参与对外部的负载的能量供应。通过这种模块化，也能够灵活地维护根据本发明的储能器，因为仅要连接旧的存储电池单元与被更换的/新添加的存储电池单元之间的电接头，同时取消了与更高级别的、可能距离更远的分析评价单元的通信。

当根据本发明的储能器的存储电池单元具有各自的分析评价单元(并且可选地具有各自的通信单元)时，所述分析评价单元能够设置为用于，响应于其它存储电池单元电附加接通至第一电接头组件来决定，该分析评价单元是否与第一电接头组件连接。换言之，存储电池单元能够(例如通过自身的电传感装置)求取切换过程，并且响应于此地重新决定，当前情况下该存储电池单元参与给电负载的能量供给是否合理。换言之，存储电池单元借助于其分析评价单元能在根据本发明的储能器的复合结构中做出如下分散式决定：该存储电池单元是否通过储能器的开关装置与另外的存储电池单元和/或外部的电负载电连接。

上文提到的、可选地设置在每个存储电池单元中的或者至少设置在单个存储电池单元中的传感装置能够具有温度传感器，并且替代地或者附加地具有电压传感器(尤其是欠电压传感器)，并且替代地或者附加地具有用于求取该存储电池单元的循环次数的传感器/计数器，并且替代地或者附加地具有用于测量存储电池单元的电池单元电流的电流传感器。替代地或者附加地，该传感装置能够实施该存储电池单元的电池单元波谱分析，其方式是，该传感装置以预定义的方式电加载该存储电池单元并且根据该加载依据预定义的参考来求取该存储电池单元的反应。由求取的结果能够推断出健康状态和/或电池单元化学。

根据本发明的储能器例如能够设置在能电驱动的运输工具中。替代地或者附加地，电储能器能够设置在做功机械中和/或设置用于支持独立电网(Inselnetz)。针对这些使用目的和其他使用目的以相应的方式得出上述特征、特征组合和优点，使得为了避免重复，在这方面参考上述实施方式。

附图说明

以下参考附图详细描述本发明的实施例。在附图中示出：

图1示出根据本发明的储能器的实施例的示意图，和

图2示出呈开关矩阵形式的根据本发明的开关装置的详细实施例的示意图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的储能器1的一个实施例，在该储能器的壳体2上，两个电接头组件8、9与第一电负载11和第二电负载12连接。可选的通信总线线路15将负载11、12与布置在壳体2内的电池单元模块20a、20b、20c、20d连接。电池单元模块20a构型为功率电池单元。该电池单元模块的存储电池单元3a、3b能输出与该存储电池单元的存储容量相比较高的电功率。相反，电池单元模块20b的能量电池单元4a、4b能存储与由所述能量电池单元能输出的最大功率相比较大量的能量。电池单元模块20c的超级电容器5a、5b设置为用于，在电损失特别小且容量较小的情况下短时间地输出极高功率。此外，设置有具有分流器6a、6b的电池单元模块20d，所述分流器是一种用于在根据本发明的储能器1内转化(“消灭”)电能的灵活可能性。电池单元模块20a至20d的开关装置13使得作为分析评价单元的ASIC7能够将功率电池单元3a、3b、能量电池单元4a、4b、超级电容器5a、5b和分流器6a、6b与中央开关装置10电连接。以这种方式，将结合图2进行详细探讨的开关装置10能够灵活地利用电池单元模块20a至20d的能量或分流器，以便通过电接头组件8、9给外部的负载11、12供给电能。在电池单元模块20a至20d内的传感器14能够对电池单元模块20a至20d内的电压或温度以及流过的电流进行监测。此外，能够借助于各自的传感装置14在欠电压、循环次数和(例如借助于电池单元波谱分析的)电池单元化学方面对存储电池单元3a、3b、4a、4b、5a、5b进行检查。通过通信总线15，电池单元模块20a至20d各自的ASIC7能够获得关于外部的负载11、12的当前运行状态或者预期运行状态的信息或者进行通信。通过各个电池单元模块20a至20d的ASIC7能够存储关于电池单元模块20a至20d的状态的信息以及到目前为止的通信。此外，ASIC7能够存储关于电池单元模块20a至20d的电池单元配置文件和电池特性模型的信息。

图2示出根据本发明的储能器1的一种可能的实现方式，该储能器相应于图1地具有多个电池单元模块20a和20b和详细示出的、呈开关矩阵形式的开关装置10。第一多个存储电池单元能够通过对应的开关S在电池单元模块20a或20b内跨接。电接头组件8、9的布置在(未示出的)壳体外部的电触点8a、8b或9a、9b能够通过多个设置在开关装置10内的开关灵活地与任意数量的电池单元模块20a、20b电连接，并且因此灵活地借助适合的多个存储电池单元被供给能量。

换言之，图2示出电池串上的电池单元的动态连接的一种可能实现方式。在此，每个电池单元控制配属于该电池单元的开关。一串表示在开关装置10内分别上下相叠地示出的开关。电池单元模块20a、20b的电池单元能够动态地挂到这些开关中。如果电池单元模块20a、20b中没有一个电池单元模块决定电接入到对应的串中，则短路开关S自动闭合。在此，所述串能够借助不同的存储电池单元产生不同的电压。经由共同的总线(参见图1)的反馈使得各个电池单元模块20a、20b能够在考虑其他电池单元的决定的情况下做出决定。

通过本发明，使得能够结合储能器的周围环境实现对储能器的能量流的分散调节。以这种方式能够在没有大的中央开关、电池管理系统等等的情况下实现在能量提供(储能器侧)与能量消耗(负载侧)之间的优化匹配的优点。每个能量流被动态地切换并且考虑电池单元的和负载的当前状态。由此，不仅提高了储能器的使用寿命还优化整个系统的效率。

所有电池单元能够通过上述结构在优化的工作点上运行。电池单元载荷能够取决于电池单元的当前有效功率。在具有有源电池组的整个系统中，省去中央组件，例如逆变器、ECU、电池管理系统(BMS)、DC-DC转换器等。能够非常简单地组合新的系统和系统配置。尤其，能够灵活且迅速地满足新的车辆类型或车载电网要求。在例如容量扩展时、在去掉单个电池单元时、在维护情况中、在拦截故障情况时等等，该系统是高度灵活的。

此外，单个电池单元的失效不再导致整个系统的失效，因为单个电池单元能够被跨接。能够拦截单个电池单元的例如在机械损坏时的热流失(Weglaufen)，其方式是，动态地连接其他的电池单元、分流器和负载。能够辨识并且单独地更换单个(弱的)电池单元。通过单开关能够随时确保在维修工作时无电压。充电能量能够优化地分配到电池单元上：少量充电的电池单元能够接收更多能量，电池组的总充电量因此更快速地增加，由此缩短充电时间。通过在对应的优化工作点上且在由能量电池单元、功率电池单元和超级电容器电池单元组成的混合体(Mix)中有效地利用所存储的能量能够提高续航能力。能够排除由于在每个电池单元的优化工作点上运行而由深度放电引起的与临界电池单元有关的、对于已循环的电池单元来说较低的负荷。因此，能够大幅地提高储能器的使用寿命。