CN103119843A - 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≥1。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）。能量供给分支（3－1、3－2、3－3）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）根据控制信号要么中断能量供给分支（3）要么所述耦合单元（6）跨接分别所分配的储能器单元（5）要么所述耦合单元（6）将分别所分配的储能器单元（5）接到能量供给分支（3）中。所有的能量供给分支（3－1、3－2、3－3）能经由至少一个电感（8－U；8－V；8－W；9）和整流器单元（10）与外部能量供给网络连接。此外，参考汇流排（T-）能与整流器单元（10）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。在车辆情况下，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DE 10 2010 027857和DE 10 2010 027861中描述了一种具有多个电池模块支路的电池，所述电池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所分配的（至少一个）电池单元或者将分别所分配的（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这些耦合单元，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≥1。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。所述耦合单元根据控制信号要么中断能量供给分支，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能量供给分支中。所有的能量供给分支能经由至少一个电感和整流器单元与外部能量供给网络、尤其是公共的交变电流网络或者交流电网连接。此外，参考汇流排能与整流器单元连接。
本发明还提出一种用于运行根据本发明的充电系统的方法。在此，所有的能量供给分支经由至少一个电感和整流器单元与外部能量供给网络、尤其是公共的电网连接，并且参考汇流排与整流器单元连接。在充电阶段中，处于要充电的储能器单元的能量供给分支中的储能器模块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。在充电阶段后面的空转阶段中，分配给要充电的储能器单元的所有耦合单元被控制为，使得所分配的储能器单元被接到相应的能量供给分支中。处于要充电的储能器单元的能量供给分支中的、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。
本发明的优点
为了遵守EMV标准（EMV＝电磁兼容性），对于充电设备来说需要使用功率因数修正——经常也被称为Power Factor Correction（功率因数修正）或者Power Factor Compensation（PFC，功率因数补偿）。该功率因数修正借助于功率开关按照正弦形的变化曲线调节所接收的网络电流并且在此使其谐波含量最小化。此外也可以均衡网络电压波动。PFC电路的典型实现包括桥式整流器以及随后的升压调节器级，如图1中所示那样。本发明基于的基本构思是，将可控的储能器的本来存在的耦合单元用于实现具有功率因数修正的充电功能。这通过如下方式实现，即在充电过程期间与升压调节器的开关元件类似地运行耦合单元，其中能量在充电阶段被输送给至少一个电感并且在那里被存储，所述能量接着在空转阶段被输出给要充电的储能器单元。在此对于所需的空转二极管仅产生最小的附加硬件耗费，这随之而来的是小的成本和小的位置需求。
利用根据本发明的系统和方法可以实现对单个储能器模块的储能器单元的充电以及同时对多个储能器模块的储能器单元的充电。在多相电机的情况下，处于不同能量供给分支中的储能器模块的储能器单元也可以被同时充电。
有利地，也可以一起使用电机的定子绕组形式的发动机电感来实现具有功率因数修正的充电功能。这可以通过如下方式实现，即定子绕组在充电过程期间用作为升压调节器的电感。相应地，本发明的实施方式规定，能量供给分支在一侧可与参考电势——以下称为参考汇流排——连接并且在另一侧可分别与电机的相连接，并且至少一个电感至少部分地由电机的定子绕组构成。
但是在一起使用电机的发动机电感的情况下适于在充电过程期间避免电机中的不期望力矩的建立。这可以通过如下方式实现，即电机在充电过程期间例如借助于传动系止动爪（Getriebesperrklinke）以机械方式被闭锁。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。
如果电机的相以星形线路相互接线，则根据本发明的实施方式规定，整流器单元包括一个整流器、尤其是二极管整流器并且电机的相的星形点可与整流器连接。
如果电机的定子绕组的电感不够，则可以在整流器与电机的星形点之间接入附加的充电电感。
而如果电机的相以n角线路相互接线，则根据本发明的实施方式规定，整流器单元包括n个整流器、尤其是二极管整流器，并且电机的每个相可分别与整流器连接。在该情况下，如果电机的定子绕组的电感不够，也可以设置附加的充电电感，其中电机的相可分别经由附加的充电电感分别与整流器连接。
为了进一步改善EMV，根据本发明的另一实施方式，可以在整流器单元与外部能量供给网络之间接入网络滤波器。
本发明的实施方式的其他特征和优点参考附图从随后的描述中得出。
附图说明
图1示出PFC电路的示意图，
图2示出在从单相能量供给网络的充电阶段中本发明充电系统的示意图，
图3示出在空转阶段中根据图2的充电系统，
图4示出在从三相能量供给网络（具有星形线路的电机）充电时本发明充电系统的示意性原理图，以及
图5示出在从三相能量供给网络（具有三角线路的电机）充电时本发明充电系统的示意性原理图。
具体实施方式
图2和3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，其出于清楚的原因仅在与电机1的相W连接的能量供给分支3－3中配备附图标记5－31至5－3m。储能器模块4此外分别包括耦合单元，该耦合单元被分配给相应的储能器模块4的储能器单元5。出于清楚的原因，耦合单元也仅在能量供给分支3－3中配备附图标记6－31至6－3m。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7－311和7－312至7－3m1和7－3m2构成。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、例如通过闭合开关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，这些定子绕组在所示的实施例中以星形线路相互接线。
电机1在所示的实施例中实施为三相交流电机，但是也可以具有小于或者多于三个的相。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、跨接能量供给单元以及将能量供给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DE XX和DE YY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。
为了使得能够为一个或多个储能器模块4的储能器单元5充电，电机1的星形点S经由附加的充电电感9与整流器单元10连接。此外，参考汇流排T-与该整流器单元10连接。应当指出，附加的充电电感9对于本发明的可应用性不是必需的，并且仅当定子绕组8－U、8－V和8－W的电感不足以实现充电功能或者所需的功率因数修正时才可以被使用。整流器单元10在所示的实施例中示例性地包括B2电路形式的二极管整流器11。该二极管整流器11可经由本身已知的网络滤波器12连接到未示出的单相外部能量供给网络、尤其是公共的（交变）电网。
以下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4－3m的储能器单元5－3m的充电过程。
在图1中所示的充电阶段期间，处于能量供给分支3－3中（其中要充电的储能器单元5－3m也处于该能量供给分支3－3中）的储能器模块4－31至4－3m的耦合单元6－31至6－3m由未示出的控制单元控制为，使得分别所分配的储能器单元5－31至5－3m被跨接。这具体地通过如下方式实现，即开关元件7－311至7－3m1闭合，而开关元件7－312至7－3m2断开。所有其余的耦合单元6、即其他两个能量供给分支3－1和3－2的储能器模块4中的所有耦合单元6同样被控制为，使得分别所分配的储能器单元5－31至5－3m被跨接。对不包括要充电的储能器单元5的能量供给分支3－1和3－2中的耦合单元6的这种控制是有意义的，以便原则上也针对这些储能器单元实现充电选项。但是应当指出，不包括要充电的储能器单元5的能量供给分支3－1和3－2中的耦合单元6也可以以其他方式被操控，尤其是被操控为，使得相应的能量供给分支3－1和/或3－2被中断。
对要充电的储能器单元5－3m也处在的能量供给分支3－3中的储能器单元5－31至5－3m的跨接引起电流流经附加的充电电感9和定子绕组8－W，使得在充电阶段期间电能被存储在附加的充电电感9和定子绕组8－W中。
在充电阶段后面的在图3中所示的空转阶段中，分配给要充电的储能器单元5－3m的耦合单元6－3m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。这具体地通过如下方式实现，即开关元件7－3m2闭合并且开关元件7－3m1断开。处于要充电的储能器单元5－31的能量供给分支3－3中的所有其余的耦合单元6－32至6－3m——但是这些耦合单元本身并不分配给要充电的储能器单元5——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7－311至7－3（m－1）1并且断开开关元件7－312至7－3（m－1）2）。所有其余的耦合单元6、即其他两个能量供给分支3－1和3－2的储能器模块4中的所有耦合单元6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实现，即耦合单元6的分别两个开关元件7断开。
对耦合单元6－31至6－3m的这种控制引起附加的充电电感9和定子绕组8－W与要充电的储能器单元5－3m的电连接。该附加的充电电感9和定子绕组8－W的电感在此继续驱动电流并且通过这种方式对储能器单元5－3m充电。
在图2和3中所示的实施方式中，定子绕组8－U、8－V和8－W的电感作为功率因数修正的电感被一起使用。耦合单元6在此承担实现功率因数修正所需的对所接收的网络电流的控制，其方式是以适当的占空比操控耦合单元6。因为功率因数修正的功能原则上是已知的，因此在此处对其将不进一步阐述。
为了在充电运行期间避免产生电机1中的不期望的力矩，电机1可以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。
替代于所示的实施方式，功率因数修正所需的电感也可以在不使用定子绕组8－u、8－V和8－W的情况下仅仅由外部的充电电感、例如附加的充电电感9构成。
图4和5示出在从三相能量供给网络充电时本发明充电系统的示例性的示意性原理图。在此，根据图4的电机的定子绕组8－U、8－V和8－W与图2和3中的图示类似地以星形线路接线。因此，根据图4的充电系统与图2和3中所示的充电系统的区别仅仅在于：整流器单元10包括B6电路形式的二极管整流器40而不是B2电路形式的二极管整流器，该B6电路形式的二极管整流器40可直接地或者经由未示出的网络滤波器连接到未示出的三相外部能量供给网络，尤其是公共的（交流）电网。
在根据图5的充电系统的情况下，定子绕组8－U、8－V和8－W不以星形线路接线，而是以三角线路接线。在电机1的这种构型中，整流器单元10针对电机1的每个相U、V、W都包括自己的整流器50－1或50－2或50－3，这些整流器示例性地实施为B2电路形式的二极管整流器。电机（1）的每个相U、V、W或每个定子绕组8－U、8－V和8－W在此分别与整流器50－1或50－2或50－3连接。整流器50－1、50－2和50－3又可直接地或者经由未示出的网络滤波器连接到未示出的三相外部能量供网络、尤其是公共的（交流）电网。在此，各个整流器50－1、50－2和50－3可分别与外部能量供给网络的两个相L1和L2或L2和L3或L1和L3连接。
对于本发明的在图4和5中所示的实施方式也适用的是，实现功率因数修正所需的电感如所示那样可以由电机1的发动机电感或者替代于此地由外部充电电感或者发动机电感与外部充电电感的组合构成。
为了确保在充电阶段期间存储在一个/多个电感中的能量可以在空转阶段中降低并且可获得足够的功率因数，能量供给分支3－1、3－2、3－3处的最小总电压（放电状态）必须比经整流的网络电压的峰值大。 

Claims (8)

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≥1，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）的电储能器单元（5），
－所述耦合单元（6）根据控制信号中断能量供给分支（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）接到能量供给分支（3）中，
－所有的能量供给分支（3－1、3－2、3－3）能经由至少一个电感（8－U；8－V；8－W；9）和整流器单元（10）与外部能量供给网络、尤其是公共的电网连接，以及
－参考汇流排（T-）能与整流器单元（10）连接。
2.根据权利要求1的系统，其中能量供给分支（3－1、3－2、3－3）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，并且所述至少一个电感至少部分地由电机（1）的定子绕组（8－U、8－V、8－W）构成。
3.根据权利要求2的系统，其中
－整流器单元（10）包括整流器（11；40），尤其是二极管整流器，
－电机（1）的相（U、V、W）以星形线路相互接线，并且
－电机（1）的相（U、V、W）的星形点（S）能与整流器（11；40）连接。
4.根据权利要求3的系统，其中能在整流器（11；40）与电机（1）的星形点（S）之间接入附加的充电电感（9）。
5.根据权利要求2的系统，其中
－整流器单元（10）包括n个整流器（50－1、50－2、50－3），尤其是二极管整流器，
－电机（1）的相（U、V、W）以n角形线路相互接线，并且
－电机（1）的每个相（U、V、W）能分别与整流器（50－1、50－2、50－3）连接。
6.根据权利要求5的系统，其中电机（1）的相（U、V、W）能分别经由附加的充电电感分别与整流器（50－1、50－2、50－3）连接。
7.根据前述权利要求之一的系统，其中能在整流器单元（10）和外部能量供给网络之间接入网络滤波器（12）。
8.用于运行根据权利要求1至7之一的充电系统的方法，其中
－将所有的能量供给分支（3－1、3－2、3－3）经由至少一个电感（8－U；8－V；8－W；9）和整流器单元（10）与外部能量供给网络、尤其是公共的电网连接，并且将参考汇流排（T-）与整流器单元（10）连接，
－在充电阶段中
     ·处于要充电的储能器单元（5－3m）的能量供给分支（3－3）中的储能器模块（4－31至4－3m）的所有耦合单元（6－31至6－3m）被控制为，使得分别所分配的储能器单元（5－31至5－3m）被跨接，并且
－在充电阶段后面的空转阶段中
     ·分配给要充电的储能器单元（5－3m）的所有耦合单元（6－3m）被控制为，使得所分配的储能器单元（5－3m）被接到相应的能量供给分支（3－3）中，
     ·处于要充电的储能器单元（5－3m）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）的所有耦合单元（6－31至6－3（m－1））被控制为，使得分别所分配的储能器单元（5－31至5－3（m－1））被跨接，并且
     ·所有其余的耦合单元（6－11至6－1m，6－21至6－2m）被控制为，使得相应的能量供给分支（3－1，3－2）被中断。
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