CN102714471A

CN102714471A - 用于对储能器充电和放电的变流器和变流器的子模块

Info

Publication number: CN102714471A
Application number: CN2009801633121A
Authority: CN
Inventors: H.勒; A.拉西克
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2009-11-19
Filing date: 2009-11-19
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2029-11-19
Also published as: RU2012125250A; HK1174744A1; EP2502340A1; US20120229080A1; US8981712B2; BR112012012140A2; RU2524363C2; WO2011060823A1; CN102714471B

Abstract

为了提供一种用于对储能器（22）充电或放电的子模块（13），其具有电容器单元（14）和功率半导体电路（15），所述功率半导体电路具有可接通和可关断的功率半导体（16，17），其中电容器单元（14）和功率半导体电路（15）互相连接为根据对功率半导体电路（15）的功率半导体（16，17）的控制在子模块（13）的输出端子（19，20）上产生至少在电容器（14）上降落的电压或零电压，该子模块实现了将充电过程与各个储能器的需求个别地匹配并且还是成本低的，建议，储能器（22）能够经过直流电压转换器（21）连接到子模块（13），其中，直流电压转换器（21）与电容器单元（14）相连并且被构造为用于将在电容器单元（14）上降落的电容器电压（U_C）转换为对储能器（22）充电所需的充电电压（U_L），并且用于将在放电时在储能器（22）上降落的放电电压（E_L）转换为电容器电压（U_C）。

Description

用于对储能器充电和放电的变流器和变流器的子模块

技术领域

本发明涉及一种用于对储能器充电或放电的子模块，具有电容器单元和功率半导体电路，所述功率半导体电路具有可接通和可关断的功率半导体，其中，电容器单元和功率半导体电路互相连接为根据对功率半导体电路的功率半导体的控制在子模块的输出端接线端子上可以产生至少在电容器上降落的电压或零电压。

本发明还涉及具有变流器阀的变流器，所述变流器具有由这些子模块组成的串联电路。

背景技术

这样的子模块和这样的变流器从DE10103031中已经公知。那里描述的变流器具有构成桥式电路的变流器阀。在此，每个变流器阀在用于将变流器与交流电网相连的交流电压接头以及直流电压接头之间延伸。每个阀具有由双极子模块组成的串联电路，所述子模块分别具有与功率半导体电路并联的电容器单元。每个子模块的两个接线端子一个与电容器单元相连并且一个与在两个功率半导体开关之间的电位点相连，与所述功率半导体开关分别反并联一个续流二极管。以这种方式在每个子模块的两个接线端子上可以产生零电压或在电容器单元上降落的电容器电压。以这种方式提供了凸显为所谓的多级直流电压的变流器。

DE102007051052描述了一种用于对可充电锂蓄电池充电的方法。在此，在低压范围中的交流电压与开关电源相连，该开关电源在输出侧提供用于对蓄电池充电的直流电压。

另一个用于对蓄电池充电的充电装置从DE19913627A1中公知。

在对较大数量的储能器充电时产生大量问题。首先要将充电装置与分别待充电的储能器匹配。但是不同的储能器通常要求不同的充电电压或充电电流。特别是关于储能器的高的寿命来说有意义的是，就充电参数来说充电及放电过程针对各个储能器的需求。此外，用于对储能器充电及放电的装置还应当成本低。

发明内容

由此本发明要解决的技术问题是，提供本文开头提到种类的一种子模块和一种变流器，其实现了将充电过程与各个储能器的需求个别地匹配并且还是成本低的。

本发明通过如下解决上述技术问题，即，储能器能够经过直流电压转换器连接到子模块，其中，该直流电压转换器与电容器单元相连并且被构造为：将在电容器上降落的电容器电压转换为对储能器充电所需的充电电压，并且将在放电时在储能器上降落的放电电压转换为电容器电压。

从本文开头提到的变流器出发，本发明如下解决上述技术问题，即，设置变流器阀，其至少部分由这样的子模块的串联电路构成。

按照本发明使用模块化多级变流器的至少一个子模块用于对外部储能器充电。为了在对储能器充电或放电时能够个别地选择所需电压，设置所谓的直流电压转换器，其将在电容器中降落的电压转换为各个所需的充电或放电电压。这具有如下优点：降落在子模块的电容器上的电压最大程度上对于所有子模块可以保持恒定。与各个储能器的匹配通过直流电压转换器进行。在子模块的电容器单元上降落的电压可以借助功率半导体电路的可关断功率半导体这样选择，使得该电压大约处于通用的储能器充电或放电电压的范围中。用于对用于电动汽车的蓄电池充电的电容器电压例如位于大约10V的数量级。直流电压转换器由此在转换直流电压时无需产生大的电压差，从而对直流电压转换器的要求小，由此该直流电压转换器成本低。此外，在转换直流电压时形成的直流电压转换器的损耗被保持小。

优选地，直流电压转换器与电容器单元并联。

合适地，作为储能器，设置蓄电池。蓄电池是化学储能器，其中电能被转换为化学键合的能量并且这样存储。这样的蓄电池是最公知的，从而在此可以省略其详细构造。原则上在本发明的范围内可以采用任意的蓄电池。作为通用的蓄电池在此提到锂离子蓄电池或镍镉蓄电池。当然还可以借助按照本发明的装置或利用按照本发明的子模块对直到将来想要的锂空气储能器充电。

优选地，功率半导体电路和电容器单元互相连接成全桥电路，其中设置四个可关断功率半导体，与它们分别反并联续流二极管。这样的全桥电路已经作为变流器或可变电压源在能量传输和能量分配领域被采用。借助全桥电路可以除了零电压和电容器电压之外在每个子模块的输出端接线端子上产生反向电容器电压。

与此不同，功率半导体电路和电容器单元形成半桥电路，其具有两个可接通和可关断功率半导体，与它们分别反并联续流二极管。子模块合适地还具有两个接线端子，其中一个接线端子与电容器单元相连并且另一个接线端子与在两个可控功率半导体之间的电位点相连。替代与功率半导体反并联续流二极管，在本发明的范围内还可以采用反向导通的功率半导体开关。

合适地，直流电压转换器具有调节单元，其构造为具有用于采集在储能器上降落的充电或放电电压和在电容器单元上降落的电容器电压的测量传感器，其中调节单元构造为用于根据至少一个额定值调节充电和/或放电电压。额定值的确定例如可以由用户输入。但是与此不同地，还可以将直流电压转换器的调节单元与储能器识别单元相连。储能器识别单元例如在储能器的存储单元中读出各个类型和分别所需的充电及放电电压，并且将这些作为额定值传输到直流电压转换器的调节单元。该调节单元然后在输出侧调节期望的放电及充电电压，从而储能器的充电及放电可以以最大效率进行。

直流电压转换器例如是升压转换器或降压转换器。

此外合适地的是，子模块是双极子模块并且具有两个接线端子。

附图说明

本发明的其他合适的构造和优点是以下参考附图对本发明的实施例的描述的内容，其中相同的附图标记表示起相同作用的组件。其中，

图1示意性示出了按照本发明的子模块和按照本发明的变流器的实施例，和

图2更详细地示出了按照图1的变流器的子模块。

具体实施方式

图1示意性示出了变流器1，其由功率半导体阀2，3，4，5，6和7的桥式电路组成，其中，所述功率半导体阀的每一个在交流电压接头8和正的直流电压接头9或负的直流电压接头10之间延伸。此外，每个功率半导体阀2，3，4，5，6和7还具有限制电流的扼流圈11。在图1中仅示意性表示出，变流器的每个交流电压接头8与用于连接交流电网的接头装置12相连。这通常通过变压器或电流地借助扼流圈或线圈进行，后者连接在交流电压接头8和图1中未示出的交流电网之间。

还可以看出，功率半导体阀2，3，4，5，6和7的每一个具有双极的子模块13的串联电路，所述子模块全部相同构造。因此在图1的右边部分仅更详细地示出一个子模块13。可以看出。每个子模块13具有电容器单元14和功率半导体电路15，后者与电容器单元14平行地延伸。功率半导体电路15具有两个功率半导体16和17，它们既可以被接通也可以被断开。这样的功率半导体例如是所谓的IGBT、GTO、X-FET、IGCT，等等。原则上，在本发明的范围内可以采用任意可关断功率半导体。与这些可控功率半导体16、17的每个反并联续流二极管18。此外，第一接线端子19与电容器单元14电相连。第二接线端子20连接在在功率半导体16和17之间的电位点上。在变流器1运行时在电容器单元14上降落电容器电压U_C。

如更上面已经所述的那样，每个功率半导体16或17可以从截止位置转换到其导通位置，在所述截止位置经过各自的功率半导体的电流被中断，在所述导通位置电流经过功率半导体在导通方向上流动或者反向。如果例如这样控制功率半导体16和17，使得功率半导体17在其截止位置，但是功率半导体16位于其导通位置，则在输出端子19和20上降落电容器电压U_C。但是，如果功率半导体17处于其导通位置，功率半导体16处于其截止位置，则在输出端子19和20上降落电压零。由此，或者是电容器电压U_C或者是零电压施加在输出端子19和20上。

此外可以看出，电容器单元14与直流电压转换器21并联。直流电压转换器21在输出侧与储能器22相连，该储能器在图1中示出的实施例中是锂离子蓄电池。

在图1的示意图中没有示出，每个功率半导体16、17与变流器1的调节和保护单元相连，借助后者可以基本上调节在每个电容器单元上降落的电容器电压。

图2详细示出了按照图1的变流器的子模块。可以看出，直流电压转换器21具有调节单元23，其经过信号导线24与电压传感器25相连，后者被构造为用于采集电容器电压U_C以及用于采集充电及放电电压U_L。直流电压转换器21被构造为将电容器电压UC转换为充电电压U_L，如果蓄电池22应当被充电的话。相反，在蓄电池22放电时直流电压转换器21则将放电电压U_L转换为电容器电压U_C，从而在两个方向的功率流经过直流电压转换器21是可以的。直流电压转换器21的调节单元与上级设置的控制单元相连，后者例如可以被称为所谓的“电池管理系统”26。上级设置的电池管理系统26例如将期望的额定值、诸如充电电流等传输到调节单元23。在充电过程之前或期间调节单元23向电池管理系统26提供特定的状态参数，利用所述状态参数可以动态计算电池管理系统的优化的充电电流。

如通过在图2中的箭头所示，电池管理系统26可以与其他控制单元以任意方式相连。

Claims

1.一种用于对储能器（22）充电或放电的子模块（13），具有电容器单元（14）和功率半导体电路（15），所述功率半导体电路具有可接通和可关断的功率半导体（16，17），其中，所述电容器单元（14）和功率半导体电路（15）互相连接为根据对功率半导体电路（15）的功率半导体（16，17）的控制在子模块（13）的输出端子（19，20）上产生至少在电容器（14）上降落的电压或零电压，

其特征在于，

所述储能器（22）能够经过直流电压转换器（21）连接到所述子模块（13），其中，所述直流电压转换器（21）与所述电容器单元（14）相连，并且被构造为用于将在电容器单元（14）上降落的电容器电压（U_C）转换为对该储能器（22）充电所需的充电电压（U_L），并且用于将在放电时在该储能器（22）上降落的放电电压（E_L）转换为电容器电压（U_C）。

2.根据权利要求1所述的子模块（13），其特征在于，

所述直流电压转换器（21）与所述电容器单元（14）并联。

3.根据权利要求2或3所述的子模块（13），其特征在于，

作为储能器，可以连接蓄电池（22）。

4.根据权利要求3所述的子模块（13），其特征在于，

所述蓄电池是化学蓄电池（22）。

5.根据上述权利要求中任一项所述的子模块（13），其特征在于，

所述功率半导体电路（15）和电容器单元（14）互相连接成全桥电路，其中，设置四个可关断功率半导体，与它们分别反并联续流二极管。

6.根据上述权利要求1至4中任一项所述的子模块（13），其特征在于，

所述功率半导体电路（15）和电容器单元（14）形成半桥电路，其具有两个可关断功率半导体（16，17），与它们分别反并联续流二极管（18）。

7.根据上述权利要求中任一项所述的子模块（13），其特征在于，

所述直流电压转换器（21）具有调节单元（23），后者被构造为具有用于采集在所述储能器（22）上降落的充电或放电电压（U_L）和在所述电容器单元（14）上降落的电容器电压（U_C）的测量传感器（25），其中，所述调节单元（23）被构造为用于根据至少一个额定值调节充电和/或放电电压（U_L）。

8.根据上述权利要求中任一项所述的子模块（13），其特征在于，所述直流电压转换器（21）是升压转换器或降压转换器。

9.根据上述权利要求中任一项所述的子模块（13），其特征在于两个接线端子。

10.一种具有变流器阀（2，3，4，5，6，7）的变流器（1），所述变流器阀具有按照上述权利要求中任一项所述的子模块（13）构成的串联电路。