[发明专利]具有集成的脉冲逆变器和提高的可靠性的耦合单元和蓄电池模块

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于蓄电池模块的耦合单元以及具有这样的耦合单元的蓄电池模块。

背景技术

在将来，无论在固定的应用还是在车辆诸如混合动力车辆和电动车辆中，将增加应用蓄电池系统。为了能够满足针对各应用给出的对电压以及所能够提供的功率的要求，串联了较高数量的蓄电池单元。因为由一个这样的蓄电池提供的电流必须流过所有的蓄电池单元，并且一个蓄电池单元仅能够导通受限的电流，因此通常还附加地并联连接蓄电池单元，以便提高最大电流。这能够通过在蓄电池单元罩壳内设置更多的单元包或通过外部连接蓄电池单元来实现。然而，在此有问题的是，由于单元电容和电压不精确相同，在并联连接的电池单元之间能够出现补偿电流。

在图1中示出了常见的电驱动系统的原理电路图，电驱动系统诸如在电动车辆和混合动力车辆中或者在静态应用中诸如风力发电装置的转动叶片调节中使用的电驱动系统。蓄电池10连接至直流中间电路，该直流中间电路受电容器11缓冲保护。脉冲逆变器12连接至直流中间电路，该脉冲逆变器12通过两个可控的半导体阀和两个二极管在三个输出端上分别提供相对彼此相位移位的正弦电压，以用于驱动电驱动电机13。电容器11的电容必须足够大，以便使直流中间电路中的电压稳定一时间段，在该时间段内接通可控的半导体阀中的一个。在实际的应用中，诸如在电动车辆中，得出高电容在mF范围内。因为直流中间电路的电压通常相当高，只有在高成本并且以大的空间要求的情况下才能够实现这样大的电容。

图2在具体的方框电路图中示出了图1的蓄电池10。多个蓄电池单元串联连接，并可选地附加地并联连接，以实现对于各应用所期望的高的输出电压和蓄电池容量。在蓄电池单元的正极和蓄电池正端子14之间连接了负载和分隔装置16。可选地，能够附加地在蓄电池单元的负极和蓄电池负端子15之间连接分隔装置17。分隔和负载装置16和分隔装置17分别包括保护继电器18和19，其被设置为用于将蓄电池单元与蓄电池端子分开，从而使得蓄电池端子不带电压。否则，由于串联连接的蓄电池单元的高直流电压，对维护人员或类似的人将有相当的危险电势。在负载和分隔装置16中附加地设置有负载保护继电器20和与负载保护继电器20串联连接的负载电阻21。如果蓄电池连接到直流中间电路，则负载电阻21限制电容器11的充电电流。在此，首先断开保护继电器18，并仅闭合负载保护继电器20。如果在蓄电池正端子14上的电压达到蓄电池单元的电压，则能够闭合保护继电器19，并且必要时断开负载保护继电器20。保护继电器18、19和负载保护继电器20明显提高蓄电池10的成本，因为对其可靠性和对由其导通的电流提出了高的要求。

大量蓄电池单元的串联连接除了总电压高之外，还带来了这样的问题，即如果一个蓄电池单元故障，则整个蓄电池故障，因为由于串联连接，蓄电池电流必须流过所有的蓄电池单元。这样的蓄电池故障能够导致整个系统的故障。在电动车辆中，驱动蓄电池的故障能够导致所谓的趴窝(Liegenbleiber)，在另外的诸如风力发电装置的转动叶片调节装置中，在强风情况下，这能够导致安全危险情况。因此蓄电池的可靠性高是有利的。根据定义，概念“可靠性”是指系统正确地工作预先给定的时间的能力。

发明内容

因此，依据本发明提出了一种用于蓄电池模块的耦合单元，其中，所述耦合单元具有第一输入端、第二输入端和输出端。耦合单元被构造为根据控制信号将第一输入端或第二输入端与输出端相连接。

耦合单元能够将一个或多个连接在第一和第二输入端之间的蓄电池单元耦合到耦合单元的输出端以使得外部能够有蓄电池单元的电压，或者绕过蓄电池单元以使得从外部看到0V的电压。相对于图1所示的蓄电池系统，蓄电池系统的可靠性大大提高了，因为单个蓄电池单元的故障不会直接导致蓄电池系统的故障。

耦合单元能够具有换向开关，其被构造为根据控制信号将第一输入端或第二输入端与输出端相连接。替代地，耦合单元能够具有第一开关和第二开关，第一开关连接在第一输入端和输出端之间，第二开关连接在第二输入端和输出端之间。耦合单元的这样的实施形式特别适合用半导体开关实现，其中，第一开关和/或第二开关优选地被构造为MOSFET开关或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)开关。