CN103296712B

CN103296712B - 用于储能装置的充电电路和为储能装置充电的方法

Info

Publication number: CN103296712B
Application number: CN201310056417.5A
Authority: CN
Inventors: H.拉普
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-02-24
Filing date: 2013-02-22
Publication date: 2017-04-12
Anticipated expiration: 2033-02-22
Also published as: FR2987509B1; CN103296712A; DE102012202867A1; FR2987509A1

Abstract

本发明涉及一种用于储能装置（1）的充电电路（30；40），所述储能装置（1）具有多个能量供给支路（Z），所述能量供给支路（Z）各具有多个用于在所述储能装置（1）的多个输出端子（1a，1b，1c）上产生交流电压的储能模块（3）。

Description

用于储能装置的充电电路和为储能装置充电的方法

技术领域

本发明涉及一种用于储能装置的充电电路和一种为储能装置充电的方法，尤其是以直流电压为电池直接变换器充电的方法。

背景技术

可以看到：在将来不仅在诸如风力设备或太阳能设备的固定应用中而且在车辆如混合驱动车辆或电动车辆中越来越多地使用将新储能技术与电驱动技术相结合的电子系统。

多相电流馈送进电机器中通常通过脉宽调制逆变器形式的变换器来实现。为此，由直流中间电路提供的直流电压例如可以变换为多相交流电压，例如三相交流电压。直流中间电路在此由串联连接的电池模块构成的一相来馈电。为了能够满足针对相应的应用对功率和能量的要求，通常牵引用蓄电池中的多个电池模块串联连接。

多个电池模块的串联电路带来了如下问题：当唯一的一个电池模块故障时，整个相故障。能量供给相的这样的故障会导致整个系统故障。此外，单个电池模块的暂时或持久出现的效率下降会导致整个能量供给相的效率降低。

在出版物US 5,642,275 A1中描述了一种带有集成逆变功能的电池系统。这类系统以名称级联多电平逆变器以及电池直接逆变器（Batteriedirektumrichter，BDI）而知晓。这样的系统在多个储能模块相中包括直流电源，其可以直接连接到电机器或电网上。在此，可以生成单相或多相电源电压。储能模块相在此具有多个串联连接的储能模块，其中每个储能模块具有至少一个电池单元和关联的可控耦合单元，耦合单元允许根据控制信号将相应关联的至少一个电池单元跨接或将相应关联的至少一个电池单元连接到相应储能模块相中。在此，耦合单元可以构建为使得其附加地允许将相应关联的至少一个电池单元也以相反的极性连接到相应的储能模块相中或者也将相应的储能模块相中断。通过例如借助脉宽调制适当激励耦合单元也可以提供适于控制相输出电压的相信号，使得可以省去独立的脉宽调制逆变器。控制相输出电压所需的脉宽调制逆变器由此可以说集成到BDI中。

BDI相对于传统系统通常具有更高的效率、更高的故障安全性和其输出电压的谐波成分明显更小。故障安全性尤其通过如下方式来保证：有缺陷的、出故障的或功能不完整的电池单元通过对与其关联的在能量供给相中的耦合单元的适当激励可以被跨接。储能模块相的相输出电压可以通过相应地激励耦合单元而变化并且尤其是分级地调节。输出电压的阶梯在此由各电压储能模块的电压形成，其中最大可能相输出电压通过储能模块相的所有储能模块的电压之和来确定。

出版物DE 10 2010 027 857 A1和DE 10 2010 027 861 A1例如公开了电池直接逆变器，其带有多个电池模块相，这些电池模块相可以直接连接到电机器上。

在BDI的输出端上没有提供恒定的直流电压，因为储能单元被划分到不同的储能模块上并且其耦合装置必须被有目的地激励以产生电压电平。通过分配，BDI基本上并不作为直流电源例如为电动车辆的车载电源馈电所使用。相应地，储能单元的充电也通过传统直流电源并非毫无困难地实现。

因此，需要储能装置的充电电路和用于驱动该充电电路的方法，利用其通过使用直流电压可以对储能装置的储能单元充电，其中在充电运行中直流电压可以通过储能装置向外部提供。

发明内容

根据一个方面，本发明提出了一种用于储能装置的充电电路，该充电电路具有多个能量供给支路，其分别带有多个用于在储能装置的多个输出端子上产生交流电压的储能模块，该充电电路具有：带有多个馈电端子的半桥电路，馈电端子分别与储能装置的输出端子之一耦合；第一馈电节点，其与半桥电路耦合；第二馈电节点，其与储能装置的参考电势汇流排耦合；馈电电路，其与充电电路的输入端子耦合，并且该馈电电路被设计成至少部分有时提供充电直流电压；转换器电感线圈和调节开关元件构成的串联电路，调节开关元件耦合在第一馈电节点与馈电电路之间，并且该串联电路被设计成提供用于为储能模块充电的直流电流；以及续流二极管，续流二极管耦合在调节开关元件与第二馈电节点之间。

根据另一方面，本发明提出了一种电驱动系统，其具有储能装置，该储能装置具有多个能量供给支路，所述能量供给支路分别具有多个用于在储能装置的多个输出端子上产生交流电压的储能模块，根据本发明的充电电路，其馈电端子分别与储能装置的输出端子之一耦合，

并且其第二馈电节点与储能装置的参考电势汇流排耦合，以及直流电压截取装置。直流电压截取装置具有参考端子，该参考端子与充电电路的第二馈电节点耦合，以及升压转换器（Hochsetzsteller），该升压转换器耦合在充电电路的第一馈电节点与参考端子之间，并且该升压转换器被设计成根据在半桥电路与参考端子之间的电势在直流电压截取装置的截取端子上提供直流电压。在此，充电电路的转换器电感线圈同时是直流电压截取装置的升压转换器的转换器电感线圈，并且充电电压的调节开关元件同时是直流电压截取装置的升压转换器的调节开关元件。

根据另一方面，本发明提出了一种用于利用根据本发明的充电电路为储能装置充电的方法，其中该储能装置具有多个能量供给支路，其各具有多个用于在多个储能装置的输出端子上产生交流电压的储能模块，该方法具有如下步骤：根据充电直流电压至少部分产生直流电流、以时钟控制方式利用预给定的占空比激励调节开关元件、通过半桥电路将直流电流馈送进储能装置的输出端子中，以及通过储能装置的参考电势汇流排反馈直流电流。

本发明的构思是电路与储能装置尤其电池直接变换器的输出端耦合，利用该电路可以将用以为储能装置的储能单元充电的直流电流馈送进储能装置的输出端中。为此设计的是，二极管半桥作为馈电装置耦合到储能装置的输出端子上，借助该二极管半桥可以将充电电路的充电电流引导通过所有输出端子。在此特别有利的是，直流电压截取装置的二极管半桥可以用作充电电路的馈电装置，该二极管半桥已经存在用于提供另一直流电压电平，例如从储能装置为车载电源的中间电路电容器馈电。

充电电路的重大优点在于：该充电电路与直流电压截取装置兼容，也就是说，充电电路和直流电压截取装置在运行中并不相互影响。另一优点在于：对于同时构建充电电路和直流电压截取装置而言部件的数目可以保持得小，因为若干部件具有双重功能。由此，器件需求降低并且由此安装空间需求降低以及系统的总量降低，尤其是在例如电驱动的车辆中的电驱动系统中。

有利地，根据储能装置的运行状态可以在充电电路的有源运行与直流电压截取装置之间选择。例如，在具有储能装置的电驱动的车辆的行驶运行模式中（该储能装置具有充电电路和直流电压截取装置）可以激活直流电压截取装置，而在车辆的静止模式或停车模式中可以将充电电路激活。然而特别有利的是，充电电路和直流电压截取装置可以被同时驱动。在此情况下，例如由充电电路提供的能量并不完全而是仅部分输送给储能装置的储能单元，而其余部分输送给车载电源，为了向其馈送能量的目的。

耦合输出电能来向车载电源馈电在此通过间歇截止、优选时钟控制直流电压截取装置的升压转换器的调节开关元件来进行。同样，例如在行驶运行中，从储能装置的储能单元获取的能量可以同时完全或部分通过根据本发明的充电电路又输送给储能单元。在此，充电电路例如可以由所谓的增程器(Range Extender)的发电机供给电能量。

通过使用二极管半桥作为馈电装置有利地可以保证储能装置可以被输送充电能量，因为储能装置对于每个能量供给支路具有一双极性电压调节范围。

可选地，充电电路可以包含附加的半导体开关，该半导体开关能够通过间歇截止和打开来实现充电电路的时钟控制的降压转换器运行。

按照根据本发明的充电电路的一个实施形式，半桥电路可以具有多个二极管，所述二极管分别耦合在第一馈电节点与多个馈电端子之间。在一个有利的实施形式中，半桥电路可以具有多个换向电感线圈，所述换向电感线圈分别耦合在多个二极管与第一馈电节点之间。由此，可以补偿或衰减掉在输出端子上的电势的波动，尤其是在激励储能装置的确定时刻的高频波动。

按照根据本发明的充电电路的另一实施形式，馈电电路可以具有馈电电容器，该馈电电容器耦合在充电电路的输入端子之间，并且该馈电电容器被设计成提供充电直流电压用于为储能模块充电。

按照根据本发明的充电电路的另一实施形式，馈电电路可以具有变压器，该变压器的初级绕组耦合在充电电路的输入端子之间；以及具有全桥整流器，该全桥整流器耦合到变压器的次级绕组上，并且该全桥整流器被设计成提供脉冲式（pulsierend）充电直流电压用于为储能模块充电。

按照根据本发明的充电电路的另一实施形式，充电电路还可以包括半导体开关，该半导体开关耦合在第二馈电节点与馈电电路之间，并且该半导体开关被设计成通过选择性地断开来激活充电电路或通过间歇地、优选时钟控制地断开和闭合能够实现充电电路的加压转换器运行。

按照根据本发明的驱动系统的一个实施形式，该驱动系统还可以包括n相电机，该电机具有n个相端子，所述n个相端子与储能装置的输出端子耦合，其中n≥1。

按照根据本发明的方法的一个实施形式，该方法可以用于利用根据本发明的电驱动系统为电驱动的车辆的储能装置充电。

按照根据本发明的方法的另一实施形式，该方法还可以包括如下步骤：按时钟控制方式以预给定的占空比激励调节开关元件；将与该占空比有关的比例的直流电流通过直流电压截取装置的升压转换器的输出二极管馈送进直流电压截取装置的中间回路电容器和与直流电压截取装置连接的负载；以及将与该占空比有关的比例的直流电压通过连接节点反馈到充电电路。

本发明的其他特征和优点从以下参考所附的附图的描述来得到。

附图说明

在图中：

图1示出了具有储能装置的系统的示意图；

图2示出了储能装置的储能模块的示意图；

图3示出了储能装置的储能模块的示意图；

图4示出了具有根据本发明的一个实施形式的直流电压截取装置和储能装置的系统的示意图；

图5示出了具有根据本发明的另一实施形式的直流电压截取装置和储能装置的系统的示意图；

图6示出了用于根据本发明的另一实施形式的储能装置的能量供给支路的充电电路的示意图；

图7示出了用于根据本发明的另一实施形式的储能装置的能量供给支路的充电电路的示意图；

图8示出了具有根据本发明的另一实施形式的直流电压截取装置、充电电路和储能装置的系统的示意图；

图9示出了具有根据本发明的另一实施形式的直流电压截取装置、充电电路和储能装置的系统的示意图；

图10示出了具有根据本发明的另一实施形式的直流电压截取装置、充电电路和储能装置的系统的示意图；

图11示出了用于为根据本发明的另一实施例的储能装置充电的方法的示意图。

具体实施方式

图1示出了系统100的示意图，该系统100具有用于将通过储能模块3提供的直流电压一方面电压转换成n相交流电压而另一方面电压转换成直流电压的储能装置1。储能装置1包括多个能量供给支路Z，其中在图1中示例性地示出了三个能量供给支路，所述能量供给支路Z适于产生例如用于三相电机2的三相交流电压。然而清楚的是，其他任意数目的能量供给支路Z同样会是可能的。能量供给支路Z可以具有多个储能模块3，所述储能模块3串联连接成能量供给支路Z。例如，在图1中示出每个能量供给支路Z各三个储能模块3，然而其他任意数目的储能模块3同样会是可能的。储能装置1在能量供给支路Z的每个上拥有输出端子1a、1b和1c，所述输出端子分别连接到相线路2a、2b或2c上。

该系统100还可以包括控制装置6，该控制装置6与储能装置1连接，并且借助该控制装置6可以控制储能装置1，以便在相应的输出端子1a、1b、1c上提供所期望的输出电压。

储能模块3各具有两个输出端子3a和3b，储能模块3的输出电压可以通过输出端子3a和3b来提供。由于储能模块3初始串联连接，所以储能模块3的输出电压加和成总输出电压，该总输出电压可以在储能装置1的输出端子1a、1b和1c的相应的输出端子上被提供。

储能模块3的示例性结构形式在图2和图3中以较大细节图示出。储能模块3在此各包括一个带有多个耦合元件7a、7c、7b和7d的耦合装置7。此外，储能模块3还各包括一个带有一或多个串联连接的储能单元5a至5k的储能单元模块5。

储能单元模块5在此例如具有串联连接的电池5a至5k，例如锂离子电池。在此，在图2和图3中所示的储能模块3中的储能单元5a至5k的数目示例性地为二个，然而其他任意数目的储能单元5a至5k同样是可能的。

储能单元模块5通过连接线路与相关的耦合装置7的输入端子连接。耦合装置7在图2中示例性地构建为各带两个耦合元件7a、7c和两个耦合元件7b、7d的全桥电路。耦合元件7a、7b、7c、7d在此可以分别具有有源开关元件，例如半导体开关，和与其并联连接的续流二极管。在此可以设计的是，耦合元件7a、7b、7c、7d构建为已具有本征二极管的MOSFET开关或IGBT开关。可替选地，可能的是，分别仅构建两个带有有源开关元件的耦合元件7a、7d，使得（如图3中示例性所示）实现非对称的半桥电路。

耦合元件7a、7b、7c、7d可以例如借助图1中所示的控制装置6激励为使得相应的储能单元模块5选择性地连接在输出端子3a与3b之间，或使得跨接储能单元模块5。参照图2，通过将耦合元件7d的有源开关元件和耦合元件7a的有源开关元件置于闭合状态中而耦合元件7b和7c的其余两个有源开关元件置于断开状态中的方式，储能单元模块5例如可以在正向方向上连接在输出端子3a与3b之间。跨接状态例如可以通过如下方式来设置：耦合元件7a和7b的两个有源开关元件被置于闭合状态中，而耦合元件7c和7d的两个有源开关元件保持在断开状态中。第二跨接状态可以通过如下方式来设置：耦合元件7a和7b的两个有源开关元件被置于断开状态中，而耦合元件7c和7d的两个有源开关元件被置于闭合状态中。最后，通过将耦合元件7b的有源开关元件和耦合元件7c的有源开关元件置于闭合状态中而耦合元件7a和7d的其余两个有源开关元件置于断开状态中的方式，储能单元模块5例如可以在反向方向上连接在输出端子3a与3b之间。分别针对图3中的非对称的半桥电路可以进行类似考虑。通过合适激励耦合装置7因此可以将储能模块3的各个储能单元模块5有针对地并且以任意极性集成到能量供给支路的串联电路中。

例如，图1中的系统100可以用于为例如电驱动的车辆的电驱动系统中的三相电机馈电。然而也可以设计的是，储能装置1用于产生能量供给电源2的电流。能量供给支路Z可以在其连接成中性点的端部上与参考电势4（参考电势汇流排）连接。参考电势4例如可以是地电势。在与能量供给装置1之外的参考电势没有其他连接的情况下，连接成中性点的端部的电势也可以通过定义而确定为参考电势4。

为了在一方面为输出端子1a、1b和1c与另一方面为参考电势汇流排4之间产生相电压通常仅需要储能模块3的储能单元模块5的一部分。储能模块3的耦合装置7可以激励为使得能量供给支路Z的总输出电压可以阶梯式地设置在一方面为与储能模块3的数目相乘的各储能单元模块5的负电压和与储能模块3的数目相乘的各储能单元模块5的正电压与另一方面为通过各储能模块3的负额定电流和正额定电流之间的矩形电压/电流调节区域中。

如图1中所示的这种储能装置1在输出端子1a、1b、1c上在运行中的不同时刻具有不同的电势，并且因此不能容易地用作直流电压源。特别在电驱动的车辆的电驱动系统中，通常期望车辆的车载电源例如高电压车载电源或低电压车载电源由储能装置1来馈电。因此，设置直流电压截取装置，该直流电压截取装置被设计成连接到储能装置1上并且由储能装置1馈电地提供例如用于电驱动的车辆的车载电源的直流电压。

图4示出了具有储能装置1和这种直流电压截取装置8的系统的示意图。直流电压截取装置8与储能装置1一方面通过聚集端子8a、8b和8c而另一方面通过参考端子8d耦合。直流电压截取装置8的直流电压U_ZK可以在截取端子8e和8f上被截取。例如，用于电驱动的车辆的车载电源的（未示出）直流电压转换器可以连接到截取端子8e和8f上，或（在截取端子8e和8f与车载电源电压之间的电压U_ZK车载电源电压之间合适平衡时）该车载电源可以直接连接到截取端子8e和8f上。

直流电压截取装置8具有半桥电路9，该半桥电路9通过聚集端子8a、8b、8c分别与储能装置1的输出端子1a、1b、1c之一耦合。聚集端子8a、8b、8c在此例如可以耦合到系统200的相线路2a、2b或2c上。半桥电路9可以具有多个二极管9a，所述二极管9a分别耦合到聚集端子8a、8b、8c之一上，使得二极管9a的正极分别与相线路2a、2b或2c耦合。二极管9a的负极可以在半桥电路9的聚集点（Sammelpunkt）连接在一起。由此，在半桥电路9的聚集点上分别存在相线路2a、2b或2c的瞬时最高电势。附加地，可以可选地设置多个换向电感线圈9b，所述换向电感线圈分别耦合在二极管9a与聚集点之间。换向电感线圈9b在此可以衰减掉电势波动，使得二极管9a承受频繁的换向过程的负荷不强，所述电势波动可能是由于激励引起的阶梯式电势变换而在相应的相线路2a、2b和2c中出现的。

此外，直流电压截取装置8具有参考端子8d，该参考端子8d与储能装置1的参考电势汇流排4耦合。在半桥电路9的聚集点与参考端子8d之间因此存在电势差，该电势差可以通过升压转换器14被增加，其中该升压转换器耦合在半桥电路9与参考端子8d之间。升压转换器14在此涉及为根据在半桥电路9与参考端子8d之间的电势在直流电压截取装置8的截取端子8e、8f上提供直流电压U_ZK。升压转换器14例如可以具有串联电路中的转换器电感线圈10和输出二极管，该串联电路的中点抽头将调节开关元件12与参考端子8d耦合。可替选地，转换器电感线圈10也可以设置在参考端子8d与调节开关元件12之间，或者，在升压转换器14的两个输入端子上可以设置两个转换器电感线圈10。类似内容适用于输出二极管11，输出二极管11可替选地也可以设置在输出抽头8f与调节开关元件12之间。

调节开关元件12例如可以具有功率半导体开关，譬如MOSFET开关或IGBT开关。例如，n沟道IGBT可以用于调节开关元件12，该n沟道IGBT在正常状态中截止。然而要清楚的是，其他任意功率半导体开关同样可以用于调节开关元件12。

尤其是当半导体半桥电路9的聚集点与参考端子8d之间的电势差始终在通过连接到截取端子8e、8f上的另外的部件预给定的输入电压范围之内时，才存在如下可能性：省去调节开关元件12或让调节开关元件12保留持续的截止状态。在此情况下，在一些实施形式中也可以省去输出二极管11。

此外，直流电压截取装置8可以具有中间回路电容器13，该中间回路电容器连接在直流电压截取装置8的截取端子8e、8f之间，并且该中间回路电容器13被设计成缓冲由升压转换器14输出的电流脉冲并且这样在升压转换器14上产生平滑过的直流电压U_ZK。通过中间回路电容器13于是例如可以为电驱动的车辆的车载电源的直流电压转换器馈电，或者该车载电源在确定的情况下也可以直接连接到中间回路电容器13上。

半桥电路9中的二极管9a的数目在图4中示例性地用三个来说明，并且与储能装置1的输出端子1a、1b、1c的数目匹配。在此应清楚的是，根据由储能装置1产生哪些相电压，在半桥电路9中的二极管的其他任意数目同样是可能的。

图5示出了具有储能装置1和直流电压截取装置8的系统300的示意图。该系统300与图4中所示的系统200不同之处主要在于：二极管9a用其负极连接到储能装置1的相线路2a、2b、2c上。在图5的直流电压截取装置8中，因此在半桥电路9的聚集点上始终存在相线路2a、2b、2c的相应瞬时最低电势。在图5的直流电压截取装置8中，在半桥电路9的聚集点与参考端子8d之间也存在电势差，该电势差可以通过声压转换器14被升高到直流电压U_ZK。

为了为图4或图5的储能装置1的储能模块3充电，需要实现如下充电电路，该充电电路可以与直流电压截取装置8组合。优选地，该充电电路应与直流电压截取装置8的部件一起使用，以便将部件需求和安装空间需要保持得尽可能小。在此，期望的是，直流电压截取装置8的功能能力不受影响，无论充电电路处于充电运行中与否。尤其是，充电电路应能够同时不仅为储能装置1的储能模块3而且为直流电压截取装置8供给电能量。

图6和图7示出了充电电路30或40的示意图，所述充电电路例如可以用于为储能装置1的能量供给支路Z充电。

图6示出了充电电路30的示意图，该充电电路30具有输入端子36a、36b，在所述输入端子36a、36b上可以馈送进充电直流电压U_N。充电直流电压U_N在此可以通过（未示出）电路装置来产生，例如通过直流电压转换器、带有功率因数校正（PFC“power factorcorrection”）的受控或受调节的整流器等等来产生。充电直流电压UN例如可以通过输入侧所连接的能量供给电源来提供。此外，充电电路30可以具有中间回路电容器35，直流电压通过中间回路电容器35来截取并且该中间回路电容器35极大地减小了脉冲式电流不仅对充电电路30的输入侧而且输出侧的反作用或在充电电路30本身中的开关过程对充电直流电压U_N的反作用。在充电电路30的馈电节点37a和37b上可以截取充电电路30的输出电压U_L，该输出电压可以用于为连接到馈电节点37a和37b上的储能装置例如

一列储能模块5或储能装置1的支路（如图1至图5中所示）充电。

充电电路30具有半导体开关33，续流二极管32和转换器电感线圈31，它们实现了降压转换器。在此不言而喻的是，半导体开关33和/或转换器电感线圈31在充电电路30的相应电流路径中的布置可以改变，使得例如转换器电感线圈31也可以设置在续流二极管32与馈电节点37b之间。同样地，半导体开关33也可以连接在续流二极管32与输入端子36b之间。例如要充电的储能装置例如一列储能模块5或储能装置1的支路的输出电压或可替选地通过半导体开关33实现的降压转换器的占空比可以用作流经转换器电感线圈31的充电电流I_L的调节量。也可能的是，在中间回路电感器35之上的输入电压U_N用作充电电流I_L的调节量。

降压转换器例如也可以在运行状态中以为1的恒定占空比来驱动，使得半导体开关33可以保持持续闭合。在此也可能的是省去带有续流二极管32的续流路径和半导体开关33。

图7示出了充电电路40的示意图，该充电电路40具有输入端子46a、46b，在所述输入端子46a、46b上可以馈送进充电交流电压u_ch。充电交流电压u_ch在此可以通过（未示出）电路装置来产生，例如通过逆变器全桥等等来产生。充电交流电压优选具有矩形非连续或连续的变化过程和高基频。充电交流电压u_ch例如可以通过具有连接在下游的逆变器电桥或变换器电桥的输入侧所连接的能量供给电源来提供。此外，充电电路40还可以具有变压器45，该变压器45的初级绕组与输入端子46a、46b耦合。变压器45的次级绕组可以与四个二极管构成的全桥整流器电路44耦合，在全桥整流器电路44的输出端上可以截取脉冲式直流电压u_N。脉冲式直流电压的间隔长度的变化可以通过时间间隔的变化来实现，在所述时间间隔中在变压器45的初级绕组上的充电交流电压u_ch并且由此在变压器45的次级绕组上的相应次级电压具有0值。充电电路40的输出电压U_L可以在充电电路40的馈电节点47a和47b上截取，该输出电压U_L可以用于为连接到馈电节点47a和47b上的储能装置例如一列储能模块5或储能装置1的支路（如图1至图5中所示）充电。

充电电路40具有续流二极管42和转换器电感线圈41，其中转换器电感线圈41用于平滑由全桥整流器电路44提供的脉冲式直流电压。在此不言而喻的是，转换器电感线圈41在充电电路40的相应电流路径中的布置可以改变，使得例如转换器电感线圈41也可以设置在续流二极管42与馈电节点47b之间。例如要充电的储能装置例如一列储能模块5或储能装置1的支路（如在图1至图5中所示）的输出电压或可替选地脉冲式直流电压u_N的直流成分可以用作流经转换器电感线圈41的充电电流I_L的调节量。

在另一实施形式中，可以无替换地省去续流二极管42。在此情况下，全桥整流器电路44的二极管附加地承担续流二极管42的功能。由此，节省了部件，但相反降低了充电电路40的效率。

在图8、图9和图10中示出了图6或图7的充电电路30如何可以与图4和图5的系统200组合的实施例。在此，图8、图9和图10中所示的系统400、500或600的优点在于：相应的充电电路30或40和直流电压截取装置8尤其共同使用转换器电感线圈10或31或41以及半桥电路9。

在图8中，图6中所示的充电电路30与图4中所示的系统200组合成一个系统400，其中该系统200具有储能装置1和直流电压截取装置8。在此，通过充电电路的输入端子36b系接在升压转换器14的调节开关元件12与直流电压截取装置8的参考端子8d之间的节点38的方式，直流电压截取装置8的半桥电路9用作充电电路30的馈电电路。以此方式，转换器电感线圈10同样可以作为充电电路30的转换器电感线圈31来起作用。充电电路30的馈电节点37b由此与半桥电路9的阴极聚集点耦合，并且通过半桥电路9的二极管9a分别与聚集端子8a、8b、8c之一连接。直流电压截取装置8的聚集端子8a、8b、8c因此用作充电电路30的馈电端子8a、8b、8c。充电电路30的第二馈电节点37a与储能装置1的参考电势汇流排4耦合，使得充电电流I_L可以经由第二馈电节点37a、参考电势汇流排4、能量供给支路Z的储能模块3、半桥电路9、第一馈电节点37b、转换器电感线圈10或31和节点38又返回至充电电路30中。

充电电路30的续流路径可以通过如下方式来实现：续流二极管32耦合在节点38与参考端子8d之间。续流二极管32防止了充电电路30在其有源运行状态中在第二馈电节点37a与节点38之间短路。同时，续流二极管32在充电电路30去激活时将升压转换器14的节点38与直流电压截取装置的参考端子8d连接并且由此防止升压转换器14的输入电流从节点38流经充电电路30的中间回路电容器35并且对充电电路30负向充电。二极管32因此同时起用于充电电路30的中间回路电容器35的反极性保护二极管的作用。通过半桥电路9的二极管9a保证了实际也能够将电能量引入储能模块3中。升压转换器14的调节开关元件12在此可以用于根据调节开关元件12的占空比t将充电电流I_L的一部分要么引导通过调节开关元件12要么通过升压转换器14的输出二极管11和直流电压截取装置8的中间回路电容器13。占空比t在此表示调节开关元件12被置于断开状态中的间隔的相对时间比例。在此调节开关元件12的占空比越小，则与在调节开关元件12上降落的电压的直流成分相比，在直流电压截取装置8的中间回路电容器13之上的直流电压U_ZK就越小。以此方式例如根据可连接到直流电压截取装置8的截取端子8e、8f上的车载电源的负载需求可以对调节开关元件12的占空比t进行调节使得在中间回路电容器13之上的直流电压U_ZK基本上保持恒定。

利用充电电路30和直流电压截取装置8构成的配置于是可能之处在于：在充电运行中也就是说在充电电路30的有源运行中，通过调节开关元件12在间歇运行中即在时钟控制的运行中以占空比t来激励的方式，因此为直流电压截取装置8提供直流电压。

在图8的系统400中，省去了图6中的充电电路30的半导体开关33。由此不可能利用充电电路30中的升压转换器功能。因此可替选地还可以设计成：半导体开关33耦合在中间回路电容器35的与充电电路30的输入端子36a连接的极与馈电节点37a之间或在节点38与中间回路电容器35的与充电电路30的输入端子36b连接的极之间，以便能够实现充电直流电压U_N的相应的降低。

储能装置1的输出端子1a、1b、1c的输出电势可以在充电运行模式中即在充电电路激活的情况下设置到统一的尤其是为负的值上。如果该值的数值小于充电直流电压U_L减去与调节开关元件12的占空比相乘的在直流电压截取装置8的输出端上的中间回路电压U_ZK的值，则充电电流I_L升高。如果该值的数值大于充电直流电压U_L减去与调节开关元件12的占空比相乘的在直流电压截取装置8的输出端上的中间回路电压U_ZK的值，则充电电流I_L降低。以此方式，可以调节充电电流I_L。为了保证充电电流I_L均匀分布到储能装置1的各能量供给支路Z上，调节器可以预给定能量供给支路Z的输出电势之间的偏差。为此，半桥电路9的换向电感线圈9b可以用作对称电感线圈。换向电感线圈9b例如也可以设置在一个、两个或三个芯上，使得只有在通过各支路的充电电流之间的偏差会引起磁场，而总充电电流I_L不会引起磁场。

在图9中，图7中所示的充电电路40与图4中所示的系统200组合成一个系统500，其中该系统200具有储能装置1和直流电压截取装置8。在此，通过充电电路40的全桥整流器电路44的阳极聚集点系接在升压转换器14的调节开关元件12与直流电压截取装置8的截取端子8f之间的节点48的方式，将直流电压截取装置8的半桥电路9用作充电电路40的馈电电路。

以此方式，转换器电感线圈10同样可以作为充电电路40的转换器电感线圈41来起作用。充电电路40的馈电节点47b因此与半桥电路9的阴极聚集点耦合，并且通过半桥电路9的二极管9a分别与聚集端子8a、8b、8c之一连接。直流电压截取装置8的聚集端子8a、8b、8c因此用作充电电路40的馈电端子8a、8b、8c。充电电路40的第二馈电节点47a与储能装置1的参考电势汇流排4耦合，使得充电电流I_L可以经由第二馈电节点47a、参考电势汇流排4、能量供给支路Z的储能模块3、半桥电路9、第一馈电节点47b、调节开关元件12或输出二极管11和中间回路电容器13和节点48构成的串联电路又返回至充电电路40中。在节点48与参考端子8d中间设置续流二极管42。续流二极管42防止了充电电路40在其有源运行状态中在第二馈电节点47a与节点48之间短路。同时，续流二极管42在充电电路40去激活时将升压转换器14的节点48与直流电压截取装置8的参考端子8d连接并且由此防止升压转换器14的输入电流从节点48流经充电电路40的中间回路电容器44并且在那里引起导通损耗提高。但在图9所示的实施形式中，也可以省去二极管42，因为半桥整流器电路44也提供了与续流二极管42并联的续流路径，其中通过全桥整流器电路44的续流路径与通过续流二极管42的续流路径相比具有更高的导通电压。

通过半桥电路9的二极管9a保证了实际也能够将电能量引入储能模块3中。升压转换器14的调节开关元件12在此可以如结合图8所描述的那样根据调节开关元件12的占空比t将充电电流I_L的一部分要么引导通过调节开关元件12要么通过升压转换器14的输出二极管11和直流电压截取装置8的中间回路电容器13。

在图9的系统500中，省去了如在根据图6的充电电路30中设置的半导体开关33。由此在此不可能通过间歇优选时钟控制地切换半导体开关33来使用充电电路40的升压转换器功能。然而，充电电路40的续流状态也可以通过脉冲式充电直流电压u_N的瞬时值置于0值来调节。这例如可以通过在变压器45的初级绕组上的充电交流电压u_ch具有0值的时间间隔的相应预给定来实现。通过这样引起的充电直流电压u_N的占空比的变化可以改变充电直流电压的直流成分。可选地，但也可以将（在图9中未示出的）半导体开关33插接在升压转换器的节点48与全桥整流器电路44的阳极聚集点之间或在全桥整流器电路44的阴极聚集点与馈电节点47a之间。这能够通过间歇优选时钟控制地切换实现充电电路40的真实降压转换器运行。然而在此情况下不允许省去续流二极管42，因为在半导体开关33断开时通过全桥整流器电路44的并联续流路径截止。

图10示出了系统600的示意图，该系统600通过图6中的充电电路30与图5的系统300组合来形成。该系统600与系统400不同之处主要在于：充电电路30以相反的极性系接到直流电压截取装置8上，并且在储能装置1的充电运行中能量供给支路被设置到统一的尤其为正的输出电势上。同样地，应清楚的是，具有相反的极性的系统也可以通过图7的充电电路与图5的系统300组合来实现。

所说明的电路装置的所有开关元件可以包括功率半导体开关，例如常断或常通的n沟道或p沟道MOSFET开关或相应的IGBT开关。

图11示出了用于为储能装置尤其是如结合图1至图10所描述的储能装置1充电的方法20的示意图。该方法20例如可以用于为具有图6、9或10的电驱动系统400、500或600的电驱动的车辆的储能装置1充电。

在可选的步骤S1中首先可以进行对储能装置1的运行状态的检测。例如，在储能装置1的运行状态是储能装置1为输出端子1a、1b、1c提供交流电压的状态（例如针对电驱动的车辆的电机2的行驶运行）时，在不管充电电路的情况下对升压转换器14的调节开关元件12进行激励。充电电路本身并不妨碍对用于为车辆的车载电源提供直流电压的升压转换器14的激励。附加地，同时可以激活充电电路30,、40并且将附加的充电直流电流馈送进该系统中。通过储能装置1的支路的输出电压相应同向推移可以借助充电电流立即又为储能装置输送电能量。

在储能装置1的运行状态是储能装置1没有为输出端子1a、1b、1c提供交流电压的状态（例如在电驱动的车辆的静止模式（或Ruhebetrieb））时，通过在充电电路的输入端子上提供充电直流电压U_N或充电交流电压u_ch的方式可以激活充电电路。直流电压截取装置8的调节开关元件12在此可以持久地闭合，也就是说，选择为0的占空比，使得将直流电压截取装置8去激活。对此可替选地，调节开关元件12可以以不同于零的占空比t来激励，使得在截取端子8e、8f上可以提供直流电压，该直流电压与减去通过在截取端子8e、8f上的未示出的负载获取的电荷的、通过充电电流I_L的一部分对中间回路电容器13充电的电荷量有关。

在方法20的步骤S2中，根据充电直流电压U_N至少偶尔可以产生直流电流I_L。在步骤S3中，可以利用预给定的占空比t以时钟控制方式激励调节开关元件12，使得比例与占空比t有关的通过输出二极管11的直流电流I_L被输送给直流电压截取装置8的截取端子8e、8f和中间回路电容器13。在步骤S4中，直流电流I_L通过半桥电路9被馈送进储能装置1的输出端子1a、1b、1c，并且在步骤S5中通过储能装置1的参考电势汇流排4又反馈到充电电路中。由于储能装置1在双极性电压调节范围中被驱动，所以通过半桥电路9可以保证至少偶尔充电电流流经储能装置1的储能单元模块5。

在此情况下特别有利的是，转换器电感线圈31或41和半桥电路9不仅是充电电路30的部件而且是直流电压截取装置8的部件。由此，电驱动系统的部件需求降低，而直流电压截取装置8或充电电路30或40的功能能力并未受相应其他电路妨碍。

同样，特别有利的是，储能装置1、电机2、直流电压截取装置8和充电电路30或40可以同时被驱动，使得储能装置1同时通过电机2获取或输送电能量，通过直流电压截取装置8和连接到其截取端子8e、8f上的车载电源获取电能量以及可以由充电电路30或40输送电能。

Claims

1.一种用于储能装置的充电电路，所述储能装置具有多个能量供给支路，所述能量供给支路各具有多个用于在所述储能装置的多个输出端子上产生交流电压的储能模块，所述充电电路具有：

半桥电路，所述半桥电路具有多个馈电端子，所述馈电端子分别与所述储能装置的输出端子之一耦合；

第一馈电节点，所述第一馈电节点与所述半桥电路耦合；

第二馈电节点，所述第二馈电节点与所述储能装置的参考电势汇流排耦合；

馈电电路，所述馈电电路与所述充电电路的输入端子耦合，并且所述馈电电路被设计成至少偶尔提供充电直流电压；转换器电感线圈和调节开关元件构成的串联电路，所述串联电路耦合在所述第一馈电节点与所述馈电电路之间，并且所述串联电路被设计成提供用于为所述储能模块充电的直流电流。

2.根据权利要求1所述的充电电路，具有：

续流二极管，所述续流二极管耦合在所述调节开关元件与所述第二馈电节点之间。

3.根据权利要求1所述的充电电路，其中所述半桥电路具有多个二极管，所述二极管分别耦合在所述第一馈电节点与所述多个馈电端子中的一个之间。

4.根据权利要求3所述的充电电路，其中所述半桥电路具有多个换向电感线圈，所述换向电感线圈分别耦合在所述多个二极管与所述第一馈电节点之间。

5.根据权利要求1至4之一所述的充电电路，其中所述馈电电路具有馈电电容器，所述馈电电容器耦合在所述充电电路的输入端子之间，并且所述馈电电容器被设计成提供用于为所述储能模块充电的充电直流电压。

6.根据权利要求1至4之一所述的充电电路，其中所述馈电电路具有变压器和全桥整流器；所述变压器的初级绕组耦合在所述充电电路的所述输入端子之间，所述全桥整流器耦合到所述变压器的次级绕线上，并且所述全桥整流器被设计成提供用于为所述储能模块充电的脉冲式充电直流电压。

7.根据权利要求1至4之一所述的充电电路，还具有：

半导体开关，所述半导体开关耦合在所述第二馈电节点与所述馈电电路之间或在所述调节开关元件与所述馈电电路之间，并且所述半导体开关被设计成通过选择性断开来去激活所述充电电路或通过间歇切换来实现所述充电电路的降压转换器运行。

8.一种电驱动系统，具有：

储能装置，所述储能装置具有多个能量供给支路，所述能量供给支路各具有多个用于在所述储能装置的多个输出端子上产生交流电压的储能模块；

根据权利要求1至7之一所述的充电电路，所述充电电路的馈电端子分别与所述储能装置的输出端子之一耦合，并且所述充电电路的第二馈电节点与所述储能装置的参考电势汇流排耦合；以及

直流电压截取装置，所述直流电压截取装置具有：

参考端子，所述参考端子与所述充电电路的第二馈电节点耦合；以及

升压转换器，所述升压转换器耦合在所述充电电路的第一馈电节点与节点之间，并且所述升压转换器被设计成根据在所述半桥电路与所述参考端子之间的电势在所述直流电压截取装置的截取端子上提供直流电压，

其中所述充电电路的转换器电感线圈是所述直流电压截取装置的升压转换器的转换器电感线圈，并且其中所述充电电路的调节开关元件是所述直流电压截取装置的升压转换器的调节开关元件，并且其中所述节点与所述充电电路的输入端子耦合或所述节点与所述充电电路的全桥整流器电路的阳极聚集点或阴极聚集点连接。

9.根据权利要求8所述的电驱动系统，具有：

续流二极管，所述续流二极管设置在所述节点与参考端子之间。

10.根据权利要求8至9所述的电驱动系统，还具有：

带有n个相端子的n相电机，所述n个相端子与所述储能装置的输出端子耦合，其中n≥1。

11.一种用于利用根据权利要求1至6之一所述的充电电路为储能装置充电的方法，其中所述储能装置具有多个能量供给支路，所述能量供给支路各具有多个用于在所述储能装置的多个输出端子上产生交流电压的储能模块，所述方法具有如下步骤：

根据充电直流电压至少偶尔产生直流电流；

按时钟控制方式以可预给定的占空比激励调节开关元件；

将所述直流电流经由半桥电路馈送进所述储能装置的输出端子中；以及

将所述直流电流经由所述储能装置的参考电势汇流排反馈。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述方法用于为根据权利要求8和10之一所述的电驱动系统的电驱动的车辆的储能装置充电。