CN102549893A - 储能装置和运行方法 - Google Patents

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Abstract

为了存储多余的动能，描述了一种储能装置和一种运行方法，其中，借助至少两个布置在轴（3）上的电机（1，2），将动能可以部分地由第一电机（1）转换成电能，并可以部分地由第二电机（2）转换成其它的动能，例如旋转能量。用于对多余动能进行能量存储的方法规定，将动能部分地转换成电能和部分地转换成其它的动能，例如旋转能量。

Description

储能装置和运行方法
技术领域
本发明涉及一种用于短期存储多余动能的储能装置。还描述了一种该装置的运行方法。
背景技术
例如多余的动能被转换成的通常的能量形式例如是化学能，其中，首先将动能转换成用其例如对铅蓄电池充电的电流。所生成的电流也可以作为电能例如存储在电容器中、尤其是在大功率电容器、所谓的“超级电容器（Supercap）”中。另一可能性在于将机械能存储为动能或势能，其中，作为变型方案可以列举飞轮存储器（Schwungradspeicher）。
这样的储能装置例如可以采用在混合动力车辆或电动车辆中。尤其是将用于存储电能的大功率电容器采用为高动态的缓冲存储器。在储能设备（例如常规飞轮）情况下，相宜地需要两个具有逆变器的电机，这些电机必须分别按照能量源的最大功率来设计，一个电机用于存储器运行，和一个电机用于重新存储。因此例如提高了结构尺寸和减小了存储器的能量密度。基本上由转换损耗以及由轴承摩擦来确定飞轮的效率。
例如将大功率电容器或具有作为能量转换器的两个电机的常规的飞轮，采用为高动态的缓冲存储器。这种电容器的缺点大多在于，强烈的温度依赖性导致低的寿命，并因此导致高的成本和相应地低的有效功率。对于电容器适用的是可以达到高于95%的效率。但是关于能量密度，电容器仅仅具有2-5 Wh/kg的值。而飞轮存储器在直至50 Wh/kg的能量密度情况下具有90-95%的效率。
由于蓄能量以转速平方地来标定（skalieren）的事实，致力于达到尽可能高的转速，该转速基本上由转子材料的断裂大小限制。像碳纤维加强的塑料（CFK）或玻璃纤维加强的塑料（GFK）那样的材料，尽管其与钢相比低的密度，由于其高的断裂强度而具有1570 kJ/kg的理论上的最大能量密度。在钢原料的情况下该值为106 kJ/kg。
迄今通过优化磁性支承与转子的部分地抽真空一起改善了飞轮的高效率。
由于大多数的飞轮存储系统用电来工作，以便加速和制动转子，应注意在例如复合原料中的碳纤维方面的最新的发展。要应用的每分钟转数达到例如20-50000或更多。
发明内容
本发明所基于的任务在于，提供一种用于可靠操纵能量传输中的负载尖峰和用于缩小电机的储能装置。此外适用的是创建一种具有相同要求的运行方法。
通过独立表述的权利要求的各自的特征组合来实现该任务的解决方案。由从属权利要求中可获知有利的扩展方案。
本发明所基于的认识在于，在迄今的实施方案中，可以显著更有效地制定在采用常规飞轮时必要的两重能量转换。可以将在现有技术中所采用的具有与常规飞轮相结合的逆变器的两个电机，分别根据最大要传递的功率来设计。
根据本发明，在轴上安置至少两个电机，其中从所述轴可以接收多余的动能，其中，一部分动能由第一电机转换成电能，而其它部分的动能由第二电机转换成另外的动能。
一方面以有利的方式将发电机采用为第一电机，其中经过轴给所述发电机馈送机械能或动能。另一方面，有利地将同样布置在轴上的飞轮存储器采用用于将动能转换成动能的另外的形式，其中，将动能从轴直接传输到飞轮存储器上。
以有利的方式如此制定电机的设计，使得第一电机具有静止地定位的第一定子以及与轴相连接并以与轴相同的速度旋转的第一转子。
第二电机的构造与现有技术的区别主要在于不像通常那样静止的第二定子。
以有利的方式如此设计第二电机，使得它具有不是静止地固定地站立、而是与轴相连接并以与轴相同的角速度旋转的第二定子，其中，在外部运行的转子作为飞轮起作用，使得该第二电机是飞轮存储器。
第一电机的双重功能是特别有利的，该第一电机既在充电过程期间被用作发电机又被用作用于车辆行驶运行的驱动电动机。
可以可变地制定将多余的动能划分到第一电机和第二电机上。以大约1:1的功率比的划分是有利的。
附图说明
以下借助示意性的不限制本发明的附图来描述实施例。
附图示意性示出了驱动轴，该驱动轴一方面经过机械差速器10耦合到具有轮30的驱动桥（Antriebsachse）上，并且另一方面与至少一个第一电机和至少一个第二电机相连接或承载所述至少一个第一电机和至少一个第二电机、即发电机和飞轮存储器。第一和第二电机的多重布置是可能的。发电机和飞轮存储器不必成对地存在。
具体实施方式
在示意图中可以容易识别本发明。不仅第一电机1而且第二电机2都布置在轴3上。在此，不仅属于第一电机1的第一转子12而且分配给第二电机的第二定子22都布置在轴3上，并且以与轴相同的角速度旋转。
第一电机1在存储由轴3所提供的多余的动能时作为发电机起作用，但是也可以采用为驱动电动机和因此采用为轴的驱动。像通常那样将第一电机1的第一定子13静止地定位。该第一定子13与用于将交流电转换成直流电的第一转换器4电连接。第二电机2的第二定子22经由与轴3通信的集电环31相应地与用于将交流电转换成直流电的第二转换器5相连接。
第二电机2的飞轮23相对于第二定子22旋转，该第二定子22本身以轴3的角速度旋转。在这里仍然将第二定子22称为定子。
通过如下方式回避了常规飞轮的双重能量转换的问题，即第二电机2的第二定子22不像在常规飞轮情况下那样固定地站立，而是与驱动轴相连接和支撑在该驱动轴上。该定子22因此以轴3的角速度转动。与第二电机2的本来的转子对应的飞轮23的转速通常不同于轴3的转速，使得产生转速差。
通过该实施例，可以以50:50的功率比有利地转化在电机1中所生成的电能和在电机2中所生成的、飞轮23的其它旋转能量/动能。也可以调整考虑车辆部分或储能单元的确定的设计的另外的比例。
如果在按照示意性的附图的装置中以以下为出发点，即由第一电机1将要接收的功率的一半转换成电功率，并且由第二电机2将所接收的动能重新转换成机械功率，则存在1:1的划分。在此，可以由飞轮23以有利的方式接收车辆运行中的由大量正和负的加速状态所组成的高动态的分量，并且随后例如在车辆重新开动时再次被提供，其中，可以由电池6提供基础负载。
为了控制整个系统还存在：电池6的控制装置7，底盘的控制装置8和电动机控制装置9。在机械方面存在机械差速器10。
在储能状态下，在轴3制动时适用的是：
功率P1对应于电池的功率。功率P2对应于第一电机1的功率，基本上对应于电机1的制动力矩。功率P3对应于第二电机2的功率，基本上对应于制动力矩。
分别示意性地和在涉及多余动能的存储过程的取向方面示出了通过箭头分别表明的扭矩T1，T2，T3。
数值例子：
轴3以600 1/s转动，并且例如应以60 kW的功率来制动。为此施加T = -100 Nm的制动力矩。将第一电机1作为发电机以T2 = -50 Nm制动力矩来运行。反馈的功率P2为
50 Nm * 600 1/s = -30 kW。
以0规定来自电池的功率。结果是，功率P3等于功率P2。因此用功率P3来驱动第二电机2。在第二定子22和飞轮23之间的速度差开始时为600 1/s。以P2 = P3得出了T3 = 50 Nm的驱动力矩。由于第二电机2的第二定子22支撑在轴上，所以附加地以50 Nm对轴3 制动。总共产生60 kW。
通过以100 Nm对轴制动，轴的转速减小，并且飞轮23的转速（im Verhältnis … zu…）与飞轮23相对于车辆的惯性矩相比上升。为了将存储在飞轮中的能量反馈到轴上，以相反的顺序实现所述的流程。
因此为了以100 Nm对轴制动，与按照现有技术的设计相比，只须由两个机器分别施加一半的力矩。
在纯粹的电动车辆中，第一机器1 除了发电机功能之外，可以附加地时间错开地作为牵引电动机起作用。例如经由集电环31实现第二电机2的定子绕组到逆变器或转换器5上的电连接。电机既可以实施为异步机，也可以实施为同步机。
主要的进步在于，能量转换时的损耗在理论上是减半的，该能量转换在现有技术中仅仅规定了从动能向电能和又从电能向动能的转换。通过将能量传输划分成电分量以及机械分量，具有相应的逆变器或转换器的两个电机与现有技术中的设计相比较分别仅须根据一半的电功率来设计。因此节省了结构空间和重量，并且提高了能量密度。由于可以磁性地实现第二电机2的支承，所以可以将摩擦损耗降低到最小值。
一般在具有高动态分量的行驶运行中，在制动过程时可以由飞轮接收动能的多余的分量。经常地由电池提供基础负载。在制动过程中，同样用多余动能的分量、但是以电转换的方式来对电池充电。
公式
T1 = T2 + T3
P3 = P2 + P1
P2 = T2 * ww
其中：ww作为轴3的转速
P3 = T3 * wG，
其中：wG 作为在第二定子22和飞轮23之间的转速差。

Claims (9)

1.用于存储旋转的轴（3）的多余动能的储能装置，其中，动能可以部分地由布置在轴（3）上的至少一个第一电机（1）转换成电能，并且可以部分地由布置在轴（3）上的至少一个第二电机（2）转换成其它的动能。
2.按照权利要求1的储能装置，其特征在于，为了存储，至少一个第一电机（1）是发电机，用于将动能转换成电能，尤其是转换成用于蓄电池或大功率电容器的充电电流，并且至少一个第二电机（2）是飞轮存储器，用于将动能转换成其它的动能，尤其是飞轮（23）的旋转能量。
3.按照权利要求1或2的储能装置，其特征在于，至少一个第二电机（2）具有固定在轴（3）上和以与轴（3）相同的角速度旋转的第二定子（22）以及在外部运行的飞轮（23）。
4.按照权利要求1-3之一的储能装置，其特征在于，至少一个第一电机（1）具有静止的第一定子（13）以及与轴（3）相连接和以与轴（3）相同的速度旋转的第一转子（12）。
5.按照权利要求1-4之一的储能装置，其特征在于，至少一个第一电机（1）附加地用作用于驱动轴（3）的驱动电动机。
6.按照权利要求1-5之一的储能装置，其特征在于，以大约1:1的功率比可以将多余的动能传输到至少一个第一和至少一个第二电机（1，2）上。
7.用于存储旋转的轴（3）的多余动能的方法，其中，动能部分地由至少一个第一电机（1）转换成电能，和部分地由至少一个第二电机（2）转换成其它的动能。
8.按照权利要求7的方法，其特征在于，将至少一个第一电机（1）作为发电机来运行和将至少一个第二电机（2）作为飞轮存储器来运行。
9.按照权利要求7或8的方法，其特征在于，以大约1:1的功率比将多余的动能划分到至少一个第一和至少一个第二电机（1，2）上。
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