CN103119824B - 用于为储能器充电的系统和用于运行充电系统的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对可控的储能器（2）中的至少一个储能器单元（5）充电的系统，所述储能器用于对n相电机（1）进行控制和电能量供给，其中n≥2。在此，可控的储能器（2）具有n个并行的能量供给分支（3－1、3－2、3－3），所述能量供给分支分别具有至少两个串联的储能器模块（4），所述储能器模块分别包括至少一个具有所分配的可控的耦合单元（6）的电储能器单元（5），在一侧与参考汇流排（T-）连接，并且在另一侧分别与电机（1）的相（U、V、W）连接。所述耦合单元（6）根据控制信号中断相应的能量供给分支（3-1，3-2；3-3）或者所述耦合单元（6）跨接分别所分配的储能器单元（5）或者所述耦合单元（6）将分别所分配的储能器单元（5）接到相应的能量供给分支（3－1，3－2；3－3）中。为了使得能够对至少一个储能器单元（5）进行充电，电机（1）的至少两个相（U、V）能分别经由至少一个空转二极管（9-U、9-V）与充电装置（10）的负极连接。参考汇流排（T-）同样能与充电装置（10）的负极连接。与能与充电装置（10）的负极连接的相（U、V）连接的能量供给分支（3-1、3-2）分别具有接触处（11-1、11-2），所述接触处布置在两个储能器模块（4）之间并且能经由至少一个空转二极管（12-1、12-2）与充电装置（10）的正极连接。

Description

用于为储能器充电的系统和用于运行充电系统的方法
技术领域
本发明涉及一种用于为储能器充电的系统和一种用于运行充电系统的方法。
背景技术
呈现出，在未来既在例如风力发电设备的静止应用中也在如混合动力车辆或电动车辆的车辆中越来越多地采用将新的储能技术与电驱动技术相组合的电子系统。在常规应用中，例如实施为感应式电机的电机经由逆变器形式的变换器被控制。对于这种系统表征性的是所谓的直流电压中间回路，储能器、一般是电池经由该直流电压中间回路连接到逆变器的直流电压侧。为了能够满足针对相应的应用所给出的对功率和能量的要求，将多个电池单元串联。因为由这种储能器提供的电流必须流经所有的电池单元并且一个电池单元仅能传导有限的电流，所以常常附加地并联电池单元，以便提高最大电流。
多个电池单元的串联除了高的总电压以外随之带来如下问题，即当唯一的电池单元失灵时，整个储能器失灵，因为于是电池电流不再能够流动。储能器的这种失灵可以导致总系统的失灵。在车辆中，驱动电池的失灵可能导致车辆“卡住”。在其他应用中，例如风力发电设备的转子叶片调整，可能在不利的框架条件、例如强风的情况下甚至发生危及安全的状况。因此应始终致力于储能器的高可靠性，其中用“可靠性”来表示系统在预先给定的时间内无故障工作的能力。
在优先的申请DE102010027857和DE102010027861中描述了具有多个电池模块支路的电池，这些电池模块支路可直接连接到电机上。电池模块支路在此具有多个串联的电池模块，其中每个电池模块具有至少一个电池单元和所分配的可控的耦合单元，该耦合单元允许根据控制信号中断相应的电池模块支路或者跨接分别分配的至少一个电池单元或者将分别分配的至少一个电池单元接到相应的电池模块支路中。通过例如借助于脉宽调制适当地操控耦合单元，还可以提供用于控制电机的适当的相信号，使得可以放弃单独的脉冲逆变器。控制电机所需的脉冲逆变器因此可以说被集成到电池中。出于公开的目的，这两个优先的申请全面地结合到本申请中。
发明内容
本发明提出一种用于对可控的储能器中的至少一个储能器单元充电的系统，所述储能器用于对n相电机进行控制和电能量供给，其中n≥2。在此，可控的储能器具有n个并行的能量供给分支，所述能量供给分支分别具有至少两个串联的储能器模块，所述储能器模块分别包括至少一个具有所分配的可控的耦合单元的电储能器单元。所述能量供给分支在一侧能与参考电势——在下面称为参考汇流排——连接，并且在另一侧能分别与电机的相连接。所述耦合单元根据控制信号要么中断相应的能量供给分支，要么所述耦合单元跨接分别所分配的储能器单元，要么所述耦合单元将分别所分配的储能器单元接到相应的能量供给分支中。为了使得能够对至少一个所述储能器单元进行充电，充电装置的负极能分别经由至少一个空转二极管与电机的至少两个相连接。充电装置的负极同样能与参考汇流排连接。与能与充电装置的负极连接的所述相连接的能量供给分支此外分别具有接触处，所述接触处布置在两个储能器模块之间并且能经由至少一个空转二极管与充电装置的正极连接。所述充电装置于是可以提供用于为至少一个储能器单元充电的直流电压。
本发明此外提出一种用于运行用于n相电机的本发明充电系统的方法，其中n≥2。在此，n相电机的至少两个相分别经由至少一个空转二极管与充电装置的负极连接，其中n≥2。参考汇流排同样与充电装置的负极连接。此外接触处分别经由至少一个空转二极管与充电装置的正极连接。分配给要充电的储能器单元的所有耦合单元被控制为，使得分别所分配的储能器单元被接到能量供给分支中。处于要充电的储能器单元的能量供给分支中、但是本身并不分配给要充电的储能器单元的所有耦合单元被控制为，使得分别所分配的储能器单元被跨接。至少一个具有接触处并且不具有要充电的储能器单元的能量供给分支于是用作控制分支，其中在控制分支中处于接触处和与控制分支连接的电机的相之间的至少一个耦合单元被操控为，使得交替地跨接分别所分配的储能器单元或者中断控制分支。控制分支的处于接触处和与控制分支连接的电机的相之间的所有其余的耦合单元被操控为，使得分别所分配的储能器单元被跨接。所有其余的耦合单元被控制为，使得相应的能量供给分支被中断。
本发明的优点
本发明所基于的基本构思是，一方面将耦合单元并且另一方面将电机的定子绕组一并用于充电功能。这通过如下方式实现，即耦合单元和定子绕组在充电过程期间与降压调节器类似地被运行，其中至少一个与充电装置连接的、本身不具有要充电的储能器单元的能量供给分支用作控制分支。“降压调节器”的输出电压的高度于是通过对至少一个耦合单元的相应操控、例如通过对操控信号的脉宽调制来调整，所述至少一个耦合单元处于控制分支的接触处和与控制分支连接的电机的相之间。在此，对于所需的空转二极管仅产生最小的附加的硬件耗费，这随之带来小的成本和小的位置需求。
利用本发明的系统和方法，既可以为单个储能器模块的储能器单元充电，也可以同时为多个储能器模块的储能器单元充电。在至少三相的电机的情况下，也可以同时为处于不同的能量供给分支中的储能器模块的储能器单元充电。
如果经由接触处与充电装置的正极连接并且本身并不具有要充电的储能器单元的多个能量供给分支可供使用，则可以要么将所述能量供给分支之一用作为控制分支，要么多个或者所有这种能量供给分支也可以承担控制分支的功能。使用多个并行的控制分支所提供的优点是，通过这种方式可实现较低的导通电阻。
对于本发明的可应用性足够的是，在控制分支中处于接触处和与控制分支连接的电机的相之间的唯一的耦合单元被操控为，使得交替地跨接分别所分配的储能器单元或者中断控制分支。但是替代于此地也可以相应地操控多个或者所有的耦合单元，这些耦合单元在控制分支中处于接触处和与控制分支连接的电机的相之间。
充电装置的任务仅仅是提供合适的直流电压。就此而言可以通过不同的途径来实现该充电装置。所述充电装置例如可以构造为网络充电设备。在此，网络充电设备是一相的还是三相的，或者其被构造为电流隔断的（galvanischgetrennt）还是连接的对于本发明的可应用性也是不重要的。如果充电装置包括直流电压转换器（DC/DC转换器），则该直流电压转换器可基于附加的匹配级被设计到固定的输出电压上，这有利地对其效率、结构空间以及成本起作用，其中所述匹配级经由作为降压调节器运行的耦合单元和定子绕组来提供。
根据本发明的实施方式规定，充电装置的负极可分别经由至少一个空转二极管与电机的所有相连接并且所有的能量供给分支分别具有接触处，所述接触处布置在两个储能器模块之间并且可经由至少一个空转二极管与充电装置的正极连接。通过这种方式，至少对于仅仅一个能量供给分支中的储能器单元的充电来说总是有至少两个并行的控制分支可供使用，借助于所述控制分支可实现较低的导通电阻。
在充电过程期间不期望的力矩可以通过如下方式被避免，即电机在充电过程期间以机械方式被闭锁，例如借助于传动系止动爪。可替代地，电机的转子位置也可以例如借助于相应的传感器系统被监视，并且在探测到转子运动的情况下被关断。
如果电机的定子绕组的电感不足，则可以在充电装置与电机之间或者在充电装置与可控的储能器之间接入附加的充电电感。
本发明的实施方式的其他特征和优点参照附图从以下描述中得出。
附图说明
图1示出在充电阶段中本发明充电系统的示意图，和
图2示出在空转阶段中根据图1的充电系统。
具体实施方式
图1和2示出本发明充电系统的示意图。可控的储能器2连接到三相电机1上。可控的储能器2包括三个能量供给分支3－1、3－2和3－3，这些能量供给分支在一侧与在所示实施方式中引导低电势的参考电势T-（参考汇流排）连接，并且在另一侧分别与电机1的各个相U、V、W连接。这些能量供给分支3－1、3－2和3－3中的每一个具有m个串联的储能器模块4－11至4－1m或4－21至4－2m或4－31至4－3m，其中m≥2。储能器模块4又分别包括多个串联的电储能器单元5－11至5－1m或5－21至5－2m或5－31至5－3m。储能器模块4此外分别包括耦合单元6－11至6－1m或6－21至6－2m或6－31至6－3m，所述耦合单元分配给相应的储能器模块4的储能器单元5。在所示的实施变型方案中，耦合单元6分别通过两个可控的开关元件7-111和7-112至7-1m1和7-1m2或7-211和7-212至7-2m1和7-2m2或7－311和7－312至7－3m1和7－3m2。开关元件在此可以实施为例如IGBT（绝缘栅双极晶体管）形式的功率半导体开关或者实施为MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）。
耦合单元6使得能够通过断开耦合单元6的两个开关元件7来中断相应的能量供给分支3。可替代地，储能器单元5可以通过分别闭合耦合单元6的开关元件7之一、例如闭合开关7－311要么被跨接，要么例如通过闭合开关7－312被接到相应的能量供给分支3中。
能量供给分支3－1至3－3的总输出电压通过耦合单元6的可控的开关元件7的相应开关状态被确定并且可以分级地被调整。分级在此根据各个储能器模块4的电压得出。如果从类似地构造的储能器模块4的优选实施方式出发，则从单个储能器模块4的电压乘以每能量供给分支串联的储能器模块4的数量m中得出最大可能的总输出电压。
耦合单元6因此允许，将电机1的相U、V、W要么接到高的参考电势上要么接到低的参考电势上并且就此而言也可以履行已知的逆变器的功能。因此可以通过可控的储能器2在适当地操控耦合单元6的情况下控制电机1的功率和运行方式。也就是就此而言，可控的储能器2履行双重功能，因为其一方面用于电能量供给，而另一方面也用于电机1的控制。
电机1具有定子绕组8-U、8-V和8-W，这些定子绕组以已知的方式以星形线路彼此接线。
电机1在所示的实施例中实施为三相交流电机，但是也可以具有仅仅两个或者多于三个的相。可控的储能器2中的能量供给分支3的数目当然也视电机的相数而定。
在所示的实施例中，每个储能器模块4分别具有多个串联的储能器单元5。但是，所述储能器模块4也可以替代地分别具有仅仅一个唯一的储能器单元或者也可以具有并联的储能器单元。
在所示的实施例中，耦合单元6分别由两个可控的开关元件7构成。但是，耦合单元6也可以由或多或少的可控的开关元件实现，只要能实现所需的功能（中断能量供给分支、跨接储能器单元以及将储能器单元接到能量供给分支中）。耦合单元的示例性的替代的构型从优先的申请DEXX和DEYY中得出。但是此外也可设想的是，耦合单元具有全桥电路中的开关元件，这在储能器模块的输出端处提供了电压极性变换的附加可能性。
为了使得能够给一个或多个储能器模块4的储能器单元5充电，两个相U和V分别经由空转二极管9-U或9-V与充电装置10的负极电连接，该充电装置10作为直流电压源以等效电路图的形式示出。该充电装置10提供适用于为储能器单元5充电的直流电压并且例如可以构造为网络充电设备（一相或三相的，电流隔断的或连接的）。充电装置10的负极也与参考汇流排T-连接。与两个与充电装置10连接的相U或V连接的能量供给分支3-1和3-2分别具有接触处11-1或11-2，所述接触处分别布置在相应的能量供给分支3-1或3-2的两个储能器模块4之间。在具体示出的实施例中，两个接触处11-1和11-2分别布置在分别最靠近电机1的相U或V的储能器模块4-11或5-11与随后的储能器模块4-12或4-22之间。但是可替代地，接触处11-1和11-2也可以布置在相应的能量供给分支的两个任意的其他储能器模块4之间。接触处11-1和11-2分别经由空转二极管12-1或12-2与充电装置10的正极电连接。
接下来示范性地描述单个储能器模块4的储能器单元5、即能量供给分支3-3中的储能器模块4-31的储能器单元5-31的充电过程。
在图1所示的充电阶段期间，被分配给要充电的储能器单元5-31的所有耦合单元6-31由未示出的控制单元被控制为，使得分别所分配的储能器单元5-31被接到能量供给分支3-3中。这具体地通过如下方式实现，即开关元件7-311闭合，而开关元件7-312断开。处于要充电的储能器单元5-31的能量供给分支3-3中的、但是本身并不分配给要充电的储能器单元5-32至5-3m的所有耦合单元6-32至6-3m被控制为，使得分别所分配的储能器单元5-32至5-3m被跨接。这具体地通过如下方式实现，即开关元件7-321至7-3m1闭合，而开关元件7-322至7-3m2断开。具有接触处11-1但是并不具有要充电的储能器单元5的能量供给分支、在所示实施例中为能量供给分支3-1，用作控制分支20。在能量供给分支3-1中并且因此在控制分支20中处于接触处11-1与电机U的分配给该能量供给分支的相U之间的耦合单元6-11在充电阶段期间被操控为，使得所分配的储能器单元5-11被跨接。这具体地通过如下方式实现，即开关元件7-111闭合，而开关元件7-312断开。所有其余的耦合单元，也就是说在具体的实施例中控制回路20的处于接触处11-1与参考汇流排T-之间的耦合单元6-12至6-1m以及处于分配给相V的能量供给分支3-2中的耦合单元6-21至6-2m，被控制为使得相应的能量供给分支3-1或3-2被中断。这具体地通过如下方式来实现，即耦合单元6的两个开关元件7被分别断开。
耦合单元6的这种操控引起从充电装置10经由空转二极管12-1和耦合单元6-11通过定子绕组8-U和8-W以及要充电的储能器单元5-31的电流流动。在该充电阶段期间，电能被存储在定子绕组8-U和8-W中。
在充电阶段后面的在图2所示的空转阶段中，分配给要充电的储能器单元5-31的耦合单元6-31此外被控制为，使得所分配的储能器单元5-31被接到能量供给分支3-3中。处于要充电的储能器单元5-31的能量供给分支3-3中、但是本身并不分配给要充电的储能器单元的所有其余的耦合单元6-32至6-3m此外被控制为，使得分别所分配的储能器单元被跨接（闭合开关元件7-321至7-3m1并且断开开关元件7-322至7-3m2）。其余的能量供给分支3-1和3-2中的耦合单元6-11至6-1m和6-21至6-2m被控制为，使得相应的能量供给分支3-1和3-2被断开。
在空转阶段期间，定子绕组8-U和8-V的电感继续驱动电流，其中该电流在空转阶段期间不流经耦合单元6-11，而是流经空转二极管9-U。
通过经调节地交替地闭合（充电阶段）和断开（空转阶段）开关元件7-111——这例如可通过对操控信号的相应的脉宽调制来实现，可以调整相应的充电电压。
如果与图1和2中所示的实施方式相反地在控制分支20的接触处11-1与电机1的所属相U之间布置多于一个的储能器模块4，则可以要么此外将唯一的耦合单元、例如在控制分支20中处于接触处11-1和与控制分支20连接的电机1的相U之间的耦合单元6-11操控为，使得交替地跨接分别所分配的储能器单元，要么中断控制分支。但是替代于此地也可以相应地操控在控制分支20中处于接触处11-1和与控制分支20连接的电极1的相U之间的多个或者所有的耦合单元6。
此外可能的是，将经由接触处、例如接触处11-2与充电装置10的正极连接并且本身不具有要充电的储能器单元5的其他能量供给分支3、如在所示实施例中的能量供给分支3-2用作为具有对所属耦合单元6的相应操控的控制分支。使用多个并行的控制分支所提供的优点是，通过这种方式可实现较低的导通电阻。
如果发动机电感不足，则可以采用附加的外部的充电电感，该充电电感接在充电装置10与电机1之间或者接在充电装置10与可控的储能器2之间。
如果电机1的第三相W也经由未示出的空转二极管与充电装置10的负极连接并且所属的能量供给分支3-3也经由未示出的接触处和同样未示出的空转二极管与充电装置的正极连接，则至少对于仅仅一个能量供给分支中的储能器单元的充电来说总是有至少两个并行的控制分支可供使用。通过这种方式可实现较低的导通电阻。
在充电过程期间不期望的力矩可以通过如下方式被避免，即电机1在充电过程期间以机械方式被闭锁，例如借助于传动系止动爪。可替代地，电机1的转子位置也可以例如借助于相应的传感器系统被监视，并且在探测到转子运动的情况下被关断。

Claims (6)

1.用于对可控的储能器（2）中的至少一个储能器单元（5）充电的系统，所述储能器用于对n相电机（1）进行控制和电能量供给，其中n≥2，其中
－可控的储能器（2）具有n个并行的能量供给分支（3-1、3-2、3-3），所述能量供给分支
·分别具有至少两个串联的储能器模块（4），所述储能器模块分别包括至少一个具有所分配的可控的耦合单元（6）的储能器单元（5），
·在一侧能与参考汇流排（T-）连接，并且
·在另一侧能分别与电机（1）的相（U、V、W）连接，
－所述耦合单元（6）根据控制信号中断相应的能量供给分支（3-1；3-2；3-3）或者跨接分别所分配的储能器单元（5）或者将分别所分配的储能器单元（5）接到相应的能量供给分支（3-1；3-2；3-3）中，
－提供用于为至少一个储能器单元（5）充电的直流电压的充电装置（10）的负极能分别经由至少一个空转二极管（9-U、9-V）与电机（1）的至少两个相（U、V）连接，
－充电装置（10）的负极能与参考汇流排（T-）连接，并且
－以下能量供给分支（3-1、3-2）分别具有接触处（11-1、11-2），即所述能量供给分支（3-1、3-2）能与以下相（U、V）连接，所述相能与充电装置（10）的负极连接，所述接触处布置在两个储能器模块（4）之间并且能经由至少一个空转二极管（12-1、12-2）与充电装置（10）的正极连接。
2.根据权利要求1的系统，其中充电装置（10）的负极能分别经由至少一个空转二极管（9）与电机（1）的所有相（U、V、W）连接并且所有的能量供给分支（3-1、3-2、3-3）分别具有接触处（11），所述接触处布置在两个储能器模块（4）之间并且能经由至少一个空转二极管（12）与充电装置（10）的正极连接。
3.根据权利要求1或2之一的系统，其中能在充电装置（10）与电机（1）之间或者在充电装置（10）与可控的储能器（2）之间接入附加的充电电感。
4.根据权利要求1的系统，其中所述储能器单元是电的。
5.用于运行根据权利要求1至4之一的充电系统的方法，其中
－将n相电机（1）的至少两个相（U、V）分别经由至少一个空转二极管（9-U、9-V）与充电装置（10）的负极连接，其中n≥2，将参考汇流排（T-）同样与充电装置（10）的负极连接并且将接触处（11-1、11-2）分别经由至少一个空转二极管（12-1、12-2）与充电装置（10）的正极连接，
－分配给要充电的储能器单元（5-31）的所有耦合单元（6-31）被控制为，使得分别所分配的储能器单元（5-31）被接到能量供给分支（3-3）中，
－处于要充电的储能器单元（5-31）的能量供给分支（3-3）中、但是本身并不分配给要充电的储能器单元（5-32至5-3m）的所有耦合单元（6-32至6-3m）被控制为，使得分别所分配的储能器单元（5-32至5-3m）被跨接，
－具有接触处（11-1）并且不具有要充电的储能器单元（5）的至少一个能量供给分支（3-1）用作控制分支（20），其中
·在控制分支（20）中处于接触处（11-1）和与控制分支（20）连接的、电机（1）的相（U）之间的至少一个耦合单元（6-11）被操控为，使得交替地跨接分别所分配的储能器单元（5-11）或者中断控制分支（20），
·控制分支（20）的处于接触处（11-1）和与控制分支（20）连接的电机（1）的相（U）之间的所有其余的耦合单元被操控为，使得分别所分配的储能器单元（5）被跨接，并且
－所有其余的耦合单元（6）被控制为，使得相应的能量供给分支（3-1；3-2；3-3）被中断。
6.根据权利要求5的方法，其中通过对至少一个耦合单元（6-11）的操控信号的脉宽调制来实现交替地跨接分别所分配的储能器单元（5-11）或者中断控制分支（20），所述至少一个耦合单元在控制分支中处于接触处（11-1）和与控制分支（20）连接的、电机（1）的相（U）之间。
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