CN103296713B - 用于储能装置的充电电路和为储能装置充电的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于储能装置（1）的充电电路（30；40），所述充电电路（30；40）具有：第一半桥电路（9）；第二半桥电路（15）；第一馈电节点（37a；37b；47a）；第二馈电节点（37a；37b；47a）；馈电电路（35；44，45）；转换器电感线圈（31；41）；半导体开关（33），以及补偿二极管（16a；17a）。

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逆变器充电的方法。
背景技术
可以看出：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。
通常以脉宽调制逆变器形式的变换器来实现将多相电流馈送进电机器中。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发生故障时，整个相发生故障。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。
发明内容
本发明根据一个方面提出了一种用于储能装置的充电电路，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上产生交流电压的储能模块，该充电电路具有：带有多个第一馈电端子的第一半桥电路，第一馈电端子分别与储能装置的输出端子之一耦合；带有多个第二馈电端子的第二半桥电路，第二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，其与第一半桥电路耦合；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，其耦合在第一馈电节点与第二馈电节点之间，并且该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，其耦合在馈电节点之一与馈电电路之间；以及半导体开关，其耦合在馈电节点之一与馈电电路之间。
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，其一个馈电端子分别与储能装置的输出端子通过第一半桥电路的二极管或第二半桥电路的二极管耦合，并且其另外的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升压转换器（Hochsetzsteller），该升压转换器连接在充电电路的与这两个半桥电路中的其中一个半桥电路的聚集点连接的馈电节点与另一半桥电路的聚集点之间，并且该升压转换器被设计成根据在第一半桥电路与第二半桥电路之间的电势差在直流电压截取装置的截取端子上提供直流电压。在此，所述另一半桥电路的二极管又将所述另一半桥电路的聚集点与储能装置的输出端子耦合。此外，所述另一半桥电路的聚集点可以通过附加的补偿二极管（Ausgleichsdiode）与储能装置的参考电势汇流排耦合。
根据另一方面，本发明提出了一种用于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储能装置的多个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：根据充电电压至少偶尔产生直流电流；通过第一半桥电路将直流电流馈送进储能模块中，第一半桥电路具有多个第一馈电端子，所述第一馈电端子分别与储能装置的输出端子之一耦合；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，利用该电路可以将直流电流馈送进储能装置的输出端中用以为储能装置的储能单元充电。为此设计的是，二极管半桥作为馈电装置分别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通过所有输出端子引导进储能装置中并且通过参考电势汇流排又从储能装置引导出来。在此特别有利的是，直流电压截取装置的两个二极管半桥之一可以用作充电电路的馈电装置，其本已存在用于提供另一直流电压电平（Gleichspannungslage），例如用于从储能装置为车载电源的中间回路电容器馈电。
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相应的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一方面为充电电路的有源运行与另一方面为直流电压截取装置之间选择。例如，在具有储能装置（其具有充电电路和直流电压截取装置）的电驱动的车辆的行驶运行模式中可以激活直流电压截取装置，而在车辆的静止模式（Stillstandmodus）中可以将充电电路激活。
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。
按照根据本发明的充电电路的一个实施形式，充电电路还可以具有补偿二极管，该补偿二极管耦合在馈电节点之一与储能装置的参考电势汇流排之间。
按照根据本发明的充电电路的一个实施形式，第一半桥电路和第二半桥电路可以具有多个第一二极管或第二二极管，所述二极管分别耦合在直流电压截取装置的升压转换器的输入端子部（Eingangsklemmen）与多个第一馈电端子或第二馈电端子中的每个之间。在一个有利的实施形式中，半桥电路可以具有多个第一换向电感线圈或第二换向电感线圈，所述换向电感线圈分别耦合在多个第一二极管或第二二极管与升压转换器的相应输入端子部点之间。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通过转换器电感线圈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通过转换器电感线圈提供脉冲式（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。
按照根据本发明的驱动系统的另一实施形式，该驱动系统还可以具有第一反极性保护二极管，该反极性保护二极管耦合在充电电路的输入端子之间。
按照根据本发明的方法的一个实施形式，该方法还可以包括如下步骤：检测储能装置的运行状态，并且根据检测到的运行状态选择性地断开或闭合充电电路的半导体开关。
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。
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
其中：
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具有用于将储能模块3中提供的直流电压电压转换成n相交流电压的储能装置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以及必要时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个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例如在正向方向上可以连接在输出端子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1一方面通过第一聚集端子8a、8b和8c而另一方面通过第二参考端子8g、8h和8i耦合。直流电压截取装置8的直流电压UZK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UZK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具有第一半桥电路9，该第一半桥电路9通过第一聚集端子8a、8b、8c分别与储能装置1的输出端子1a、1b、1c之一耦合。第一聚集端子8a、8b、8c在此例如可以耦合到系统200的相线路2a、2b或2c上。第一半桥电路9可以具有多个第一二极管9a，所述第一二极管9a分别耦合到聚集端子8a、8b、8c之一上，使得二极管9a的阳极分别与相线路2a、2b或2c耦合。二极管9a的阴极可以在第一半桥电路9的共同的聚集点（Sammelpunkt）处连接在一起。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第一换向电感线圈9b，所述第一换向电感线圈分别耦合在第一二极管9a与第一半桥电路9的聚集点之间。第一换向电感线圈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。
直流电压截取装置8类似地具有第二半桥电路15，该第二半桥电路15通过第二聚集端子8g、8h、8i分别与储能装置1的输出端子1a、1b、1c之一耦合。第二聚集端子8g、8h、8i在此例如可以耦合到系统200的相线路2a、2b或2c上。第二半桥电路15可以具有多个第二二极管15a，所述第二二极管15a分别耦合到第二聚集端子8a、8b、8c之一上，使得二极管15a的阴极分别与相线路2a、2b或2c耦合。二极管15a的阳极可以在半桥电路15的共同的聚集点（Sammelpunkt）处连接在一起。由此，在第二半桥电路15的聚集点上分别存在相线路2a、2b或2c的瞬时最低电势。附加地，可以可选地设置多个第二换向电感线圈15b，所述换向电感线圈分别耦合在二极管15a与第二半桥电路15的聚集点之间。第二换向电感线圈15b在此可以衰减掉电势波动，使得第二二极管15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。
半桥电路9和15通过其聚集点分别与升压转换器14的第二输入端子之一耦合。在聚集点之间存在电势差，该电势差可以通过升压转换器14来升高。升压转换器14在此被设计成根据在半桥电路9与15之间的电势差在直流电压截取装置8的截取端子8e、8f上提供直流电压UZK。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11，该串联电路的中心抽头将调节开关元件12与第二半桥电路15耦合。可替选地，转换器电感线圈10也可以设置在第二半桥电路15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截取端子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。
尤其是当半桥电路9和15的聚集点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的输出端上产生平滑过的直流电压UZK。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和15中的二极管的数目在图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和15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，直流电压截取装置8附加地具有参考端子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和15的聚集点与参考端子8d之间分别连接有补偿二极管16a或17a。在此，第一补偿二极管16a的阴极与第一半桥电路9的聚集点耦合，而第二补偿二极管17a的阳极与第二半桥电路15的聚集点耦合。
在半桥电路9和15的聚集点上形成的电势可以通过补偿二极管16a或17a向下或向上通过在参考端子8d上形成的参考电势来限制。即使在相线路2a、2b、2c中的定子电压小的情况下例如在转速低时或在电机2静止时，这能够实现通过电机2的中性点电势提高或降低统一的值的方式保证在升压转换器14的输入端子之间的电势差足够高。在此，当在储能装置1的输出端子1a、1b、1c上相应瞬时最高电势与相应最低电势之间的电势差低于预给定的阈值时，电机2的中性点电势通过均匀地提高或降低在储能装置1的多个输出端子1a、1b、1c上的输出电压而相对于参考电势推移。也就是说，所有能量供给支路Z的输出电势抬高或下降了统一的值，而不影响电机2的定子电压和/或定子电流。为了补偿换向过程引起的波动，与相应的补偿二极管16a和17a可以分别串联连接有另外的换向电感线圈16b或17b。在此，补偿二极管16a允许利用电机2的中性点电势朝着负值的推移，其中该推移防止第一半桥电路9的聚集点上的电势降低到参考电势之下。相应地，补偿二极管17a允许利用电机2的中性点电势朝着负值的推移，其中该推移防止第二半桥电路15的聚集点上的电势升高到参考电势之上。也存在利用这两个补偿二极管16a或17a中的仅仅一个实现直流电压截取装置8的可能性。在此情况下，电机2的中性点电势相对于参考电势的推移只在一个方向上可能。
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，并且尤其是不妨碍其功能能力。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。
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UN。充电直流电压UN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UN的反作用。充电电路30的输出电压UL可以在充电电路30的馈电节点37a和37b上截取，该输出电压UL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。例如要充电的储能模块的输出电压或可替选地升压转换器的通过半导体开关33实现的占空比可以用作流经转换器电感线圈31的充电电流IL的调节量。也可能的是，在中间回路电感器35上降落的输入电压UN用作充电电流IL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uch。充电交流电压uch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uch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uch例如可以通过具有连接在下游的逆变器电路或变换器电路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uN。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uch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UL可以在充电电路40的馈电节点47a和47b上截取，该输出电压UL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uN。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uN的直流成分UN可以用作流经转换器电感线圈41的充电电流IL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尤其共同使用半桥电路9或15。
在图8中，图6中所示的充电电路30与图4或图5中所示的系统200或300组合成一个系统400，其中该系统200或300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30的馈电节点37b与第一半桥电路9的阴极聚集点连接并且因此通过第一半桥电路9的二极管9a分别与聚集端子8a、8b、8c之一耦合的方式，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。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的第一馈电端子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IL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、第一半桥电路9、第一馈电节点37b和转换器电感线圈31又返回至充电电路30中。
在充电电路30的输入端子之间可以可选地耦合有反极性保护二极管39a，在充电电路30被去激活而直流电压截取装置8被激活时该反极性保护二极管39a保护充电电路30的中间回路电容器35以免通过可能的截止电流进行负向充电。
附加地，设置有补偿二极管17a，该补偿二极管17a通过直流电压截取装置8的参考端子8d耦合在第二半桥电路15的阳极聚集点与第二馈电节点37a之间。补偿二极管17a保证第二半桥电路15的阳极聚集点始终具有不能超过0值的电势。由此，在行驶运行中在半桥电路9和15的聚集点之间的电势差小的情况下，例如在电机2的转速低时或在静止时，通过将电机2的中性点电势朝着正值推移仍然为直流电压截取装置8的升压转换器14提供足够高的输入电压。此外，即使当调节开关元件12在充电电路30的充电运行中要持续切换为导通时，通过二极管17a也保护直流电压截取装置8的调节开关元件12以免出现负的集电极-发射极电压。如果不要利用上面所描述的用于提高升压转换器14的输入电压的可能性，则补偿二极管17a也可以无替换地被省去。
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UL的值，则充电电流IL升高，如果该值的数值大于充电直流电压电压UL的值，则充电电流IL下降。以此方式，可以调节充电电流IL。为了保证充电电流IL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IL不会引起磁场。
在图9中，图7中所示的充电电路40与图4或图5中所示的系统200或300组合成一个系统500，其中该系统200或300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的馈电节点47b与第一半桥电路9的阴极聚集点连接并且因此经由第一半桥电路9的第一二极管9a分别与聚集端子8a、8b、8c之一耦合的方式，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。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的第一馈电端子8a、8b、8c。充电电路40的第二馈电节点47a经由半导体开关33与储能装置1的参考电势汇流排4耦合，使得充电电流IL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、第一半桥电路9、第一馈电节点47b和转换器电感线圈41又返回至充电电路40中。
在充电运行中，半导体开关33持久地保持闭合，其中续流状态可以通过将脉冲式充电直流电压uN的瞬时值设置为0值来调节。这例如可以通过相应地激励变压器45的初级绕组来实现。通过在去激活充电电路40的情况下断开半导体开关33可以保证：尤其是在直流电压截取装置8激活时不会通过二极管42或全桥整流器电路44在升压转换器14的输入端上形成短路，该短路会妨碍直流电压截取装置8的正常运行。
如已在图8所示的系统400中那样，在这里所示的系统500中也设置补偿二极管17a，已在参照图8对系统400的描述中所进行的说明同样适于该补偿二极管17a。
在两个系统400和500中，省去了系统200或300的第二补偿二极管16a，因为要不然会形成会引导充电电流IL经过储能装置1的电流路径并且由此充电运行会是不可能的。
图10示出了系统600的示意图，该系统600也如已在图8中所示的系统400那样通过图6中的充电电路30与图4或图5中的系统200或300组合而形成。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是正的输出电势上。同样地，应清楚的是，具有相反极性的系统也可以通过图7中的充电电路40与图5中的系统300组合来实现。在这些情况中，仅在图5中已经存在的在参考电势汇流排4与半桥电路9的阴极聚集点之间的二极管16a允许用作补偿二极管。而在半桥电路15的阳极聚集点与参考电势汇流排4之间不允许设置补偿二极管17a，因为要不然会形成会引导充电电流IL经过储能装置1的电流路径并且由此充电运行会是不可能的。
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，例如常态截止（normal sperrend）或常态导通(normal leitend)的n沟道或p沟道IGBT开关或相应的MOSFET开关。在使用带有反向截止能力的功率半导体开关时，可以省去与二极管的相应并联电路。
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，可以持续断开半导体开关33使得充电电路被去激活。去激活尤其可以与图8至图10的直流电压截取装置8无关地进行，使得在行驶运行期间储能装置1还可以为车辆的车载电源提供直流电压电平。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运行模式（或Ruhebetrieb））时，可以持续闭合充电电路的半导体开关33使得充电电路处于激活状态中，并且可以为储能装置1充电。直流电压截取装置8的调节开关元件12可以在充电运行中要么被断开要么被闭合，因为不必经由调节开关元件12实现充电电流的续流路径。
在方法20的步骤S2中，至少偶尔产生直流电压IL可以根据脉冲式充电直流电压uN的直流成分UN来进行，该直流成分UN在步骤S3中可以通过分别与半桥电路9或15中的具有多个馈电端子8a、8b、8c或8g、8h、8i的半桥电路馈入到储能模块3中，其中所述馈电端子8a、8b、8c或8g、8h、8i分别与储能装置1的输出端子1a、1b、1c之一耦合。充电电流IL可以在步骤S4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或15可以保证至少偶尔有充电电流流经储能装置1的储能单元模块3。
充电电流IL为此通过充电电路30或40的转换器电感线圈31或41来引导。半导体开关33在充电运行中持续闭合，因为在充电电路与半桥装置9或15之一之间的续流二极管会使通过经由相应半桥装置9或15和转换器电感线圈31或41存在的短路驱动直流电压截取装置8不可能。

Claims (13)

1.一种用于储能装置（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），所述充电电路（30；40）具有：
第一半桥电路（9），其具有多个第一馈电端子（8a，8b，8c），所述第一馈电端子（8a，8b，8c）分别与所述储能装置（1）的输出端子（1a，1b，1c）之一耦合；
第二半桥电路（15），其具有多个第二馈电端子（8g，8h，8i），所述第二馈电端子（8g，8h，8i）分别与所述储能装置（1）的输出端子（1a，1b，1c）之一耦合；
第一馈电节点（37a；37b；47b），其与所述第一半桥电路（9）或第二半桥电路（15）耦合；
第二馈电节点（37a；37b；47a），其与所述储能装置（1）的参考电势汇流排（4）耦合；
馈电电路（35；44，45），所述馈电电路（35；44，45）耦合在第一馈电节点与第二馈电节点（37a；37b；47a，47b）之间，并且所述馈电电路（35；44，45）被设计成至少偶尔提供充电直流电压（UN）；
转换器电感线圈（31；41），所述转换器电感线圈（31；41）耦合在第一馈电节点与第二馈电节点（37a；37b；47a，47b）之一与馈电电路（35；44，45）之间；以及
半导体开关（33），所述半导体开关（33）耦合在第一馈电节点与第二馈电节点（37a；37b；47a，47b）之一与馈电电路（35；44，45）之间。
2.根据权利要求1所述的充电电路（30；40），具有：补偿二极管（16a；17a），所述补偿二极管（16a；17a）耦合在不与所述第一馈电节点与第二馈电节点（37a；37b；47a，47b）之一连接的半桥电路（9；15）与所述储能装置（1）的参考电势汇流排（4）之间。
3.根据权利要求1或2所述的充电电路（30；40），其中所述第一半桥电路和/或第二半桥电路（9；15）分别具有多个第一二极管或第二二极管（9a；15a），所述第一二极管和第二二极管（9a；15a）分别耦合在所述多个第一或第二馈电端子（8a，8b，8c；8g，8h，8i）之一与半桥电路（9；15）的聚集点之间。
4.根据权利要求3所述的充电电路（30；40），其中所述第一半桥电路和/或第二半桥电路（9；15）具有多个换向电感线圈（9b；15b），所述换向电感线圈（9b；15b）分别耦合在所述多个第一二极管或第二二极管（9a；15a）与半桥电路（9；15）的聚集点之间。
5.根据权利要求1或2所述的充电电路（30），其中所述馈电电路具有馈电电容器（35），所述馈电电容器（35）耦合在所述充电电路（30）的输入端子（36a；36b）之间，并且所述馈电电容器（35）为此被设计成提供用于通过所述转换器电感线圈（31）为所述储能模块（3）充电的充电直流电压（UN）。
6.根据权利要求1或2所述的充电电路（40），其中所述馈电电路具有变压器（45）；所述变压器（45）的初级绕组耦合在所述充电电路（40）的所述输入端子（46a；46b）之间，并且具有全桥整流器（44），所述全桥整流器（44）耦合到所述变压器（45）的次级绕线上，并且所述全桥整流器（44）为此被设计成提供用于通过所述转换器电感线圈（41）为所述储能模块（3）充电的脉冲式充电直流电压（UN）。
7.一种电驱动系统（400；500；600），具有：
储能装置（1），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），
根据权利要求1至6之一所述的充电电路（30；40），所述充电电路（30；40）的第一馈电节点（37a；37b；47b）通过第一半桥电路或第二半桥电路（9；15）的二极管（9a；15a）经由第一馈电端子或第二馈电端子（8a，8b，8c；8g，8h，8i）分别与所述储能装置（1）的输出端子（1a，1b，1c）之一耦合，并且所述充电电路（30；40）的第二馈电节点（37a；37b；47a）与所述储能装置（1）的参考电势汇流排（4）耦合；以及
直流电压截取装置（8），所述直流电压截取装置（8）具有：
参考端子（8d），所述参考端子（8d）与所述充电电路（30；40）的第二馈电节点（37a；37b；47a）耦合；以及
升压转换器（14），所述升压转换器（14）耦合在未与所述充电电路（30；40）的第一馈电节点与第二馈电节点（37a；37b；47a；47b）之一耦合的半桥电路（9；15）与参考端子（8d）之间，并且所述升压转换器（14）被设计成根据在所述半桥电路（9；15）之间的电势差在直流电压截取装置（8）的截取端子（8e，8f）上提供直流电压（UZK）。
8.根据权利要求7所述的电驱动系统（400；500；600），具有：
具有：补偿二极管（16a；17a），所述补偿二极管（16a；17a）耦合在不与所述第一馈电节点与第二馈电节点（37a；37b；47a，47b）之一连接的半桥电路（9；15）与所述储能装置（1）的参考电势汇流排（4）之间。
9.根据权利要求7或8所述的电驱动系统（400；500；600），还具有：带有n个相端子的n相电机（2），所述n个相端子与所述储能装置（1）的输出端子（1a，1b，1c）耦合，其中n≥1。
10.根据权利要求7或8所述的电驱动系统（400；500；600），还具有：第一反极性保护二极管（39a），所述第一反极性保护二极管（39a）耦合在所述充电电路（30；40）的输入端子之间。
11.一种为储能装置（1）充电的方法（20），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），所述方法具有如下步骤：
根据充电直流电压（UN）至少偶尔产生（S2）直流电流（IL）；
将所述直流电流（IL）通过半桥电路（9；15）馈入（S3）储能模块（3）中，将所述直流电流（IL）馈入（S3）储能装置（1）的输出端子（1a，1b，1c）中，所述半桥电路（9；15）具有多个馈电端子（8a，8b，8c；8g，8h，8i），所述馈电端子（8a，8b，8c；8g，8h，8i）分别与所述储能装置（1）的输出端子（1a，1b，1c）之一耦合；以及
将所述直流电流（IL）通过储能装置（1）的参考电势汇流排（4）来反馈（S5）。
12.根据权利要求11所述的方法（20），此外具有如下步骤：
检测（S1）所述储能装置（1）的运行状态并且根据所检测的运行状态选择性地断开所述充电电路（30；40）的半导体开关（33）。
13.根据权利要求11和12之一所述的方法（20），其中所述方法（20）用来对以根据权利要求7和10之一所述的电驱动系统（400；500；600）电驱动的车辆的储能装置（1）进行充电。
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