[发明专利]电能储存系统

说明书

本发明涉及根据权利要求1前序部分中详细定义类型的电能储存系统。另外，本发明还涉及控制设计用于储存电能的系统的方法。

用于储存电能的系统在普通现有技术中是已知的，在此特别是用于将电牵引能量储存在电动车内或储存在混合车辆内的系统。这些电能储存系统通常包括单独的存储电池（storage cell），例如，这些存储电池以串联和/或并联的方式彼此电连接。

基本上，可以将各种类型的蓄电池组电池或电容电池构想作为存储电池。由于具有数量相对较高的能量，特别是在使用期间将能量储存在车辆（在此处特指多用途运载车）的动力传动系统内或从中提取能量的期间所产生的高功率，优选地，具有足够能量容量和高功率的存储电池用作存储电池。例如，采用锂离子技术的蓄电池组电池或者特别是具有非常高性能的双层电容器形式的存储电池得以使用。在技术领域这些电容器还被称为特级电容器（super capacitor）、超级电容器（super cap）、或超电容器（ultra-capacitor）。

不论是否使用超电容器或典型的具有高能量容量的蓄电池组电池，在由可以作为整体彼此串联连接或也可以整批彼此互连的多个存储电池构成的这类系统中，由于上限电压值或阈值电压的设计，单独的蓄电池组电池的电压分别受到限制。例如，如果在为电能储存系统充电的过程中超过该阈值电压，通常存储电池的使用寿命会大幅缩短。

由于制造期间存在预定制造公差，实际上单独的存储电池之间通常会存在轻微的偏差（例如，不同的自放电性能）。这使得产生这样的结果，在操作过程中，对于单独的存储电池而言，相比与系统中其他的存储电池，可能产生稍微低的阈值电压。由于整个系统的最大电压通常是相等的，然而，特别是在充电期间，最大总电压表示典型的激活标准（activation criterion），这必然会使串联连接至具有较低阈值电压的存储电池的其他存储电池具有稍微高的电压，并且在充电过程期间充电超过允许的单独最大阈值电压。这种过电压实质上会使单独存储电池的可能使用寿命缩短，因而也会缩短整个电能储存系统的使用寿命。

为了解决这些问题，普通的现有技术基本上知道两种不同类型的所谓电池电压均衡器（cell voltage equalizer）。通常典型的术语“电池电压均衡器”在此处会使人误解，由于单独存储电池的电压或者更确切地说是其能量容量彼此是互不相等的，而是具有高电压的电池的过高电压会降低。由于电能储存系统的总电压保持不变，通过这种所谓的电池电压均衡器，电压降低的电池经过一段时间后其电压又会增加，进而避免极性反转隐患。

除了无源电池电压均衡器（其中电阻器并联连接至每个单独的存储电池并且因此发生连续的不期望放电以及还使系统发热），还可以使用有源电池电压均衡器。除了并联连接至每个单独存储电池的电阻器，还有电阈值开关并联连接至存储电池并且串联连接至电阻器。该结构（也被称为旁通电子装置）只有在电池的操作电压高于预定阈值电压时才允许电流通过。一旦单独存储电池的电压回落至低于预定阈值电压的范围，开关打开，电流不再流通。当独立存储电池的电压低于预定极限值时，由于开关的作用使得电阻始终无效，因此整个系统的不期望放电基本上也可以避免。由于具有该有源电池电压均衡器解决方案，连续的不期望的热增长也不再是问题。

如果使用了这种系统，例如，在周期性操作过程中，如通常在混合动力车辆中发生的那样，可能发生只会在非常短的时间内达到阈值电压的情况，在特定情况下也不会持续很长时间。例如，如果在从储存容器中进行强烈能量提取的情况下（例如在强烈的增加操作过程中），几乎不会发生任何能量的同时回收且因此储存器不再会被完全填满，则上述现象会发生。

另外的问题会导致这类能量储存系统的实际实施。只要适当地排布单独存储电池以形成整个系统，在不同时期不同的有效冷却性能会自然生效。例如，已经由位于上游的存储电池加热的冷却空气到达具体的电池。此外，由于构造问题，单独存储电池存在边缘层，所述边缘层具有热方面的优势或劣势。由于多个存储电池通常是串联连接，这些串联连接的电池传导相同电流，因而会从功率消耗中会产生基本上相等的热量。由于冷却单独存储电池的冷却具有不可避免的差异，单独存储电池会产生不同的温度。单独存储电池的使用寿命很大程度上取决于操作过程中它们的温度。结果，具有连续较高热应变的存储电池老化更快速。一旦到达这些存储电池使用寿命的终点，尽管在某些情况下，大多数在其使用期间受较小热应变影响的存储电池仍然起作用，但整个储存系统通常会变得不可用。