独立模块、电变换器系统和电池系统技术方案

本发明专利技术涉及一种独立模块(10，20，30，60，70，…，150)，其用于与至少一个同类的第二独立模块(10，20，30，60，70，…，150)连接以提供电变换器系统(40)或者电池系统(50)，其中该独立模块(10，20，30，60，70，…，150)包括：至少一个储能器(12)、至少五个内部开关元件(16‑1，16‑2，16‑3，16‑4，16‑5，16‑6，16‑7，16‑8)、以及分别在该独立模块(10，20，30，60，70，…，150)的第一侧和第二侧的至少两个接线端(14a，14b，18a，18b)，其中该至少一个储能器(12)直接与该第一侧的该至少两个接线端(14a，14b)中的至少一个相连接，且这些内部开关元件(16‑1，16‑2，16‑3，16‑4，16‑5，16‑6，16‑7，16‑8)如下地安排且可连接：它们能够与该至少一个同类的第二独立模块(10，20，30，60，70，…，150)的相应内部开关元件(16‑1，16‑2，16‑3，16‑4，16‑5，16‑6，16‑7，16‑8)的开关状态无关地实现所有开关状态，这些开关状态用于动态切换该至少一个储能器(12)与该至少一个第二独立模块(10，20，30，60，70，…，150)的至少一个相应的储能器(12)之间的电连接。此外，本发明专利技术涉及一种电变换器系统(40)和一种电池系统(50)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】独立模块、电变换器系统和电池系统本专利技术涉及一种用于提供电变换器系统或电池系统的独立模块、以及一种相应的电变换器系统和一种相应的电池系统。常见的电池可以是由独立部件、例如独立电池单元或子电池构成的固定布线的单元。这种电池在输出端基本提供直流电压。而许多耗电器例如需要有一定频率、振幅和/或相位的交流电压。此外，直流电压在充电状态中并非恒定。为了能在峰值电压及在充电终止电压的情况下驱动连接至电池的耗电器并能取用所需功率，耗电器须具有复杂的供电电路。如果耗电器所需的电压截然不同于电池电压，则该电路因所谓的“低调制指数”而造成被提供给耗电器的输出电压的高损耗和高失真。在带有电驱动装置的机动车辆中，该电驱动装置尤其涉及在低速下一般需要低幅交流电压的驱动装置。在此，一般由脉宽调制引起的失真还加重隔离发动机的负担，进而不利地影响到发动机使用寿命。为此，因为电池单元的物理和化学性能的离散性，须提供电池单元的复杂监测，以允许电池单元的均匀充电状态。例如，如果电池的一个独立电池单元出故障，则一般整个电池不可用。于是，对于车辆而言，就必须考虑到车辆的彻底停用。在必要时，甚至必须主动迫使停车，以使故障电池部件在进一步负载时不会过热、或者甚至着火。为了提供耗电器所需的输出电压，作为供电电路采用电变流器。各种类型的变流器用于将直流电转换为交流电(逆变器)、将交流电转换为直流电(整流器)或调整交流电压的频率和振幅(变换器)。与此相应，变流器可以具有不同的拓扑。替代性地，代替变流器的使用，也可以通过相应电池连接的动态切换来产生耗电器所需的交流电压。在此，开关元件被动态切换，使电池的储能器以并联电路和/或串联电路的形式存在。这样的电池被称为连上的电池。不同于迄今的变换器，在此可以使将要预定的调制指数、即相应的频率调制的特征值在所有振幅下保持最大。此外，损耗在低电压时甚至降低，这是因为有效内电阻由于连上的电池的电池部件的并联电路而降低。此外，连上的电池(其中储能器可以在并联电路与串联电路之间来回切换)产生几乎无失真的输出电压，因为在两种配置的电压之间的分级可以保持很小。另外，通过开关调制可以在这样的电压之间进行调制，以进一步平滑。电变换器、即子种类的电变流器将直流电压转换为交流电压。例如由DE102010052934A1和DE102011108920B4已知用于电变换器的拓扑。在DE102010052934A1中描述了一种电变换器系统，其具有至少两个同类的、串联连接的独立模块。这些独立模块具有至少四个内部开关元件、至少一个储能元件和至少四个接线端，其中的每两个接线端形成第一和第二端子对。每个独立模块的内部开关元件如下设计：它们能够选择性地将每个端子对的一个或两个接线端与储能元件相连接。至少两个独立模块的串联电路中的相应独立模块的开关元件将其相应储能元件与串联电路的接线端子相连，从而选择性地存在储能元件的串联电路或并联电路。DE102011108920B4延续了这种方案并且同样描述了一种由至少两个同类的、串联连接的模块构成的电变换器系统，其中，串联连接的模块形成了桥支路。这些模块具有至少一个模块电容器和多个开关元件。至少在这些串联连接的模块中的一个模块与下一个模块之间连接有中间模块，该中间模块具有至少一个用于储能的电感器。在前述变换器中，两个模块的内部开关元件的开关状态之组合实现了这些模块的各种连接。为此需要恰好共同地、即同时地切换这些内部开关元件，以免短路。其他电路无法将所有开关元件(它们须以相同电位被控制和/或同时被控制)集成到唯一模块中。而在这些其他已知电路中，多个模块须恰好同时地、即在100纳秒(sic.)的时间范围内被控制，而这比许多电子电路的因温差而出现的相应运行时间差明显更小。由此产生了所需同步化的高昂成本。本专利技术的目的在于避免须恰好同时切换相互连接的独立模块中的多个开关元件的必要性。根据本专利技术，该目的是通过根据独立权利要求的独立模块、变换器系统和电池系统来实现的。从相应的从属权利要求和说明书中获得本专利技术的构型。以下和在本说明书的下文中，“电池部件”是指独立的电池单元，但也指多个电池单元的相互连接，例如具有多个电池单元的电池，其与具有多个电池单元的另一个电池连接。以下和在本说明书的下文中，“电池”是指原电池、二次电池、各种电容器以及能量源和储能器，它们只采用直流电压。根据本专利技术的独立模块用于与至少一个同类的第二独立模块连接。通过至少两个同类的独立模块的连接，能够提供根据本专利技术的电变换器系统或者根据本专利技术的电池系统。根据本专利技术的独立模块具有至少一个储能器、至少五个内部开关元件、以及分别在该独立模块的第一侧和第二侧的至少两个接线端。储能器直接与该第一侧的至少两个接线端中的至少一个相连接。这些内部开关元件如下地安排且可连接：它们能够与该至少一个同类的第二独立模块的相应内部开关元件的开关状态无关地实现以下所有开关状态，这些开关状态是用于动态切换该至少一个储能器与该至少一个第二独立模块的至少一个相应的储能器之间的电连接。在本专利技术的独立模块与至少一个同类的第二独立模块连接时，对相应独立模块的控制相比于从现有技术已知的模块连接被显著简化。此时甚至可以完全不同步地或者无序地切换相应的独立模块。大多数电开关元件、尤其是晶体管须在其自身电位、例如所谓的电源电位方面被电控制。这导致许多控制器、例如各种晶体管的栅极驱动器必须通过单独的电压源、例如隔离电压源或者自举升压电源(Boostrap-Versorgungen)来提供。对于像在本专利技术独立模块中那样位于同一独立模块上的开关元件，所述控制能够以最少的不同电位进行。位于同一独立模块上的开关元件可以以准确定时的方式(即以充分的同时性)被控制。而当开关元件被延时启用或停用时，就像必然例如在从现有技术已知的其他解决方案中那样，可能因横向电流或因有意的切换延缓而出现高损耗。在本专利技术独立模块的一个实施方式中，这些内部开关元件是低电压半导体开关元件。即，开关元件被设计用于的最大电压明显低于由多个独立模块构成的系统的总电压，例如开关元件所属的独立模块的最大电压，其是由独立模块的储能器限定的。这是可能的，因为根据本专利技术的用于动态切换至少一个储能器与至少一个第二独立模块的至少一个相应储能器之间的电连接的所有开关元件位于同一独立模块中。因此，这些开关元件只须针对低电压来设计并可以采用廉价的、从娱乐用电子设备已知的低电压构件。当前常见的高电压半导体开关元件不同于低电压构件、仅以很少的件数制造且由此过分昂贵(überproportional)。尤其是现代的MOSFET构件(metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor，金属氧化物半导体场效晶体管)理想地用在本专利技术独立模块的实施方式中，因为其工作曲线线性地延伸经过电流-电压曲线的零点并且它们因此不具有电压偏移，由此MOSFET可以很好地并联连接。另外，提供一种采用至少一个本专利技术独立模块的本专利技术电变换器系统和一种采用至少一个本专利技术独立模块的本专利技术电池系统。从说明书和附图中得到本专利技术的其他优点和构型。不言而喻，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对应引用的组合中使用，而且还可在其他组合中或者单独使用而本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种独立模块(10，20，30，60，70，…，150)，其用于与至少一个同类的第二独立模块(10，20，30，60，70，…，150)连接以提供电变换器系统(40)或者电池系统(50)，其中该独立模块(10，20，30，60，70，…，150)包括：至少一个储能器(12)、至少五个内部开关元件(16‑1，16‑2，16‑3，16‑4，16‑5，16‑6，16‑7，16‑8)、以及分别在该独立模块(10，20，30，60，70，…，150)的第一侧和第二侧的至少两个接线端(14a，14b，18a，18b)，其中该至少一个储能器(12)直接与该第一侧的该至少两个接线端(14a，14b)中的至少一个相连接，且这些内部开关元件(16‑1，16‑2，16‑3，16‑4，16‑5，16‑6，16‑7，16‑8)被如下地安排且连接：这些内部开关元件能够与该至少一个同类的第二独立模块(10，20，30，60，70，…，150)的相应内部开关元件(16‑1，16‑2，16‑3，16‑4，16‑5，16‑6，16‑7，16‑8)的开关状态无关地实现以下所有开关状态，这些开关状态是用于动态切换该至少一个储能器(12)与该至少一个第二独立模块(10，20，30，60，70，…，150)的至少一个相应的储能器(12)之间的电连接。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.07.30 DE 102015112512.91.一种独立模块(10，20，30，60，70，…，150)，其用于与至少一个同类的第二独立模块(10，20，30，60，70，…，150)连接以提供电变换器系统(40)或者电池系统(50)，其中该独立模块(10，20，30，60，70，…，150)包括：至少一个储能器(12)、至少五个内部开关元件(16-1，16-2，16-3，16-4，16-5，16-6，16-7，16-8)、以及分别在该独立模块(10，20，30，60，70，…，150)的第一侧和第二侧的至少两个接线端(14a，14b，18a，18b)，其中该至少一个储能器(12)直接与该第一侧的该至少两个接线端(14a，14b)中的至少一个相连接，且这些内部开关元件(16-1，16-2，16-3，16-4，16-5，16-6，16-7，16-8)被如下地安排且连接：这些内部开关元件能够与该至少一个同类的第二独立模块(10，20，30，60，70，…，150)的相应内部开关元件(16-1，16-2，16-3，16-4，16-5，16-6，16-7，16-8)的开关状态无关地实现以下所有开关状态，这些开关状态是用于动态切换该至少一个储能器(12)与该至少一个第二独立模块(10，...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·格茨，
申请(专利权)人：保时捷股份公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE