CN103370869A - 用于外激励电机的储能器设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种储能器设备（2），其具有：至少一个第一能量供给分支（2a，2b，2c），其被设计用于经由第一接线端子（3a，3b，3c）向外激励电机（1）供给能量；和第二能量供给分支（2d），其与所述至少一个第一能量供给分支（2a，2b，2c）并联并且被设计用于经由第二接线端子（3d）向外激励电机（1）的励磁绕组（11）供给电流，其中所述至少一个第一能量供给分支（2a，2b，2c）和所述第二能量供给分支（2d）分别经由第三接线端子（4a，4b，4c；4d）经由共同的参考汇流排（9）与励磁绕组（11）连接。

Description

用于外激励电机的储能器设备

技术领域

本发明涉及一种用于外激励电机的储能器设备以及一种具有外激励电机的系统，所述外激励电机借助于可控的第一储能器来控制并且被供给电能。

背景技术

展示出，在未来既在例如风力发电设备的静态应用中也在如混合动力汽车或电动汽车的汽车中越来越多地采用将新的储能器技术与电驱动技术相组合的电子系统。在常规应用中，例如在图1中所示的那样，例如实施为感应式电机的电机101经由脉冲逆变器102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103，储能器104、一般是牵引电池经由该直流电压中间回路连接到脉冲逆变器102的直流电压侧。为了能够满足针对相应的应用所给出的对于功率和能量的要求，将多个电池单元105串联。因为由这种储能器104提供的电流必然流经所有的电池单元105并且一个电池单元105仅能传导有限的电流，因此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，整个储能器也失灵，因为由此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。在汽车中，驱动电池的失灵可以导致汽车“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导致危及安全的状况。因此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。

在较早的申请DE 102010027857.2和DE 102010027861.0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通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，这两个较早的申请全面地结合到本申请中。

与传统的系统不同，在电池系统的输出端处不提供恒定的、例如能够用于为外激励电机的励磁绕组馈电的直流电压。

发明内容

本发明根据一个实施方式提供一种储能器设备，该储能器设备具有：至少一个第一能量供给分支，其被设计用于经由第一接线端子向外激励电机供给能量；和第二能量供给分支，其与所述至少一个第一能量供给分支并联并且被设计用于经由第二接线端子向外激励电机的励磁绕组供给电流，其中所述至少一个第一能量供给分支和所述第二能量供给分支分别经由第三接线端子与励磁绕组连接。

此外本发明根据另一实施方式提供一种具有外激励电机和可控的储能器的系统。所述可控的储能器包括至少一个第一能量供给分支和第二能量供给分支，所述至少一个第一能量供给分支经由第一接线端子与外激励电机的能量供给接线端子连接，所述第二能量供给分支与所述至少一个第一能量供给分支并联并且经由第二接线端子与外激励电机的励磁绕组连接。在此，所述至少一个第一能量供给分支和第二能量供给分支分别经由第三接线端子与共同的参考汇流排连接，所述参考汇流排与外激励电机的励磁绕组连接。

本发明的优点

本发明的构思是，借助于可控的储能器中的单独的能量供给支路向外激励电机的励磁绕组馈电。所述单独的能量供给支路可以与相应的供给目的相匹配。通过对馈送励磁绕组的较少的功率需求，可以构造具有较少和/或较小的能量供给模块的单独的能量供给支路，使得空间需求下降。此外，该单独的能量供给支路可以相对于其余的能量供给分支用不同电路拓扑的耦合设备来构造，由此可以将功率损耗最小化。

根据一个有利的实施方式，根据本发明的储能器设备在至少一个第一能量供给分支和第二能量供给分支中分别包括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电储能器单元与所分配的可控的耦合单元。

有利地，所述至少一个第一能量供给分支的储能器模块的耦合单元包括全桥形式的开关元件，并且所述第二能量供给分支的储能器模块的耦合单元包括半桥电路形式的开关元件。在该实施例中，根据本发明的储能器设备可以被设计用于向n相的交流同步电机供给能量。

可替换地，所述至少一个第一能量供给分支的储能器模块的耦合单元可以包括半桥电路形式的开关元件，并且所述第二能量供给分支的储能器模块的耦合单元可以包括全桥电路形式的开关元件。在该实施例中，根据本发明的储能器设备可以被设计用于向外激励直流电机供给能量。

在此可以优选地设置将每一个第三接线端子经由共同的参考汇流排彼此连接。这有利地节省了储能器设备的接线端子。

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示出根据现有技术的具有电机的系统的示意图，

图2示出具有电机和可控储能器的系统的示意图，

图3示出根据本发明的一个实施方式的具有三相外激励交流同步电机和可控储能器设备的系统的示意图，

图4示出根据本发明的另一实施方式的具有外激励直流电机和可控的储能器设备的系统的示意图。

具体实施方式

图2示出具有电机1和可控储能器2的系统。电机1示例性地作为三相电机1示出，其经由可控的第一储能器2被供给能量。可控的第一储能器2包括三个能量供给分支2a,2b,2c，这些能量供给分支在一侧经由接线端子4a，4b，4c与参考电势9（参考汇流排）连接，所述参考电势9在所示实施方式中相对于电机1的相U，V，W引导平均电势，并且所述能量供给分支在另一侧分别与电机1的各个相U、V、W连接。在此，第一能量供给分支2a的接线端子3a与电机1的第一相接线端子1a耦合，第二能量供给分支2b的接线端子3b与电机1的第二相接线端子1b耦合，并且第三能量供给分支2c的接线端子3c与电机1的第三相接线端子1c耦合。能量供给分支2a，2b，2c中的每一个具有串联的储能器模块5a，6a或5b，6b或5c，6c。示例性地，在图2中每个能量供给分支2a，2b，2c的储能器模块的数目为2，但是其中每个其他数目的储能器模块同样是可能的。

储能器模块5a，5b，5c，6a，6b，6c又分别在储能器单元设备7中包括多个串联的电储能器单元。在此，在图2中储能器单元设备7中的储能器单元的数目例如为2，但是其中每个其他数目的储能器单元同样是可能的。储能器模块5a，5b，5c，6a，6b，6c此外分别包括耦合单元8，所述耦合单元8被分配给相应的储能器模块5a，5b，5c，6a，6b，6c的储能器单元7。出于清楚的原因，仅仅在储能器模块5c中的耦合单元和储能器单元设备配备有附图标记。但是可以理解，储能器模块5a，5b，5c，6a，6b，6c可以包括类似的耦合单元和储能器单元设备。

在所示的实施变型中，耦合单元8分别通过四个可控的开关元件构成，这些开关元件以全桥的形式接线。所述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）。但是也可以将耦合单元8分别构造为分别仅仅具有两个开关元件的半桥电路。半桥电路提供的优点是，由于较少的开关元件数目而具有较少的功率损耗，但是所具有的缺点是，能量供给分支中的输出接线端子3a，3b，3c处的电压不能变换极性。

在全桥电路的示例性示出的情况下，耦合单元8能够通过断开耦合单元8的所有开关元件中断相应的能量供给分支2a，2b，2c。可替换地，储能器单元7可以通过闭合耦合单元8的开关元件中的每两个要么被跨接要么被接通到相应的能量供给分支2a，2b，2c中。

能量供给分支2a，2b，2c的总输出电压通过耦合单元8的可控开关元件的相应的开关状态来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5a，5b，5c，6a，6b，6c的电压得出。

耦合单元8因此允许，电机1的相U、V、W接通高参考电势或者低参考电势，并且就此而言也可以满足已知的逆变器的功能。因此，电机1的性能和运行方式可以在适当地操控耦合单元8的情况下通过可控的第一储能器2来控制。也就是就此而言，可控的第一储能器2满足双重功能，因为其一方面用于电能量供给，另一方面也用于电机1的控制。

电机1具有定子绕组，这些定子绕组以已知的方式彼此以星形电路接线。电机1在所示实施例中实施为三相交流电机，但是也可以具有少于或者多于三个的相。可控的第一储能器2中的能量供给分支2a，2b，2c的数目相对应地也视电机的相数而定。

图3示出根据本发明的一个实施方式的具有三相外激励交流同步电机1和可控的储能器设备2的系统的示意图。图3中所示的系统与图2中所示系统的区别仅仅在于，电机1具有励磁绕组11，所述励磁绕组11经由第一供给线路12与可控的储能器2的单独的能量供给分支2d连接，并且经由参考汇流排9分别与可控的储能器2的接线端子4a，4b，4c以及单独的能量供给分支2d的接线端子4d连接。

单独的能量供给分支2d同样如能量供给分支2a，2b，2c那样具有储能器模块5d，6d，所述储能器模块5d，6d具有串联的储能器单元7和耦合单元8a，8b。在根据图3的实施例中，耦合单元8a，8b包括两个半桥电路形式的开关元件，这两个开关元件可以要么将储能器单元7跨接要么将储能器单元7接通到能量供给分支2d中。

单独的能量供给分支2d经由接线端子4d与可控的储能器2的参考汇流排9连接，并且经由接线端子3d与电机1的励磁绕组连接。借助于该单独的能量供给分支2d，可变电流可以通过励磁绕组11被引导，使得可以在电机1中生成可变的励磁场。

在具有耦合单元8的半桥电路的根据图3的当前实施例中，虽然不能通过励磁绕组11实现电流的极性变换，但是通过耦合单元8的半桥电路中的较少数目的所需开关元件降低了储能器模块5d，6d的开关元件处的功率损耗。可替换地，可控的储能器2的储能器模块5d，6d也可以具有全桥形式的耦合单元，该全桥形式的耦合单元与储能器模块5a，5b，5c，6a，6b，6c的耦合单元8类似地构造。在这种情况下，电流的极性变换可以通过励磁绕组11通过对耦合单元8的相应操控来实现。

图4示出根据本发明的另一实施方式的具有外激励直流电机20和可控的储能器设备2的系统的示意图。可控的储能器设备2在图4的实施例中具有能量供给分支2a，该能量供给分支2a具有两个串联的能量供给模块5a，6a。能量供给模块5a，6c在此包括储能器单元7，该储能器单元7被分配给耦合单元8a，8b。能量供给模块5a，6a的耦合单元8a，8b可以包括半桥电路形式的开关元件，如示例性地在图4中所示那样。可控的储能器设备2还具有单独的能量供给分支2d，该单独的能量供给分支2d同样具有两个串联的能量供给模块5d，6d。能量供给模块5d，6d包括储能器单元7，该储能器单元7被分配给耦合单元8。能量供给模块5d，6d的耦合单元8在此用全桥形式的开关元件实现。

能量供给分支2a经由第一接线端子3a与直流电机20的定子设备25的连接线路22连接，而能量供给分支2d经由第二接线端子3d与直流电机20的励磁绕组21的连接线路23连接。经由能量供给分支2a可以为直流电机20供给能量。经由能量供给分支2d可以通过励磁绕组21传导用于生成直流电机20的励磁场的电流。

在图4的实施例中，励磁场可以借助于能量供给分支2d中的耦合单元8的全桥电路被变换极性。由此可能的是，在定子设备25中没有电流换向的情况下引起直流电机20的旋转方向。因为在能量供给分支2a中出现的电流强度通常比在电流供给分支2a中出现的电流强度高，因此为了使功率损耗最小化，如在图4中所示，用半桥拓扑形式的能量供给模块5a，6b实现能量供给分支2a。但是同样可能的是，能量供给模块5a，6a的耦合单元同样以全桥电路的形式构造，并且能量供给模块5d，6d的耦合单元以半桥电路的形式构造。能量供给模块5a，6a或5d，6d的数目同样不限于两个，而是每电流供给分支的每个任意数目的能量供给模块都是可能的。尤其是可以在能量供给分支2d中设置比在能量供给分支2a中少的能量供给模块。

Claims (10)

1.储能器设备（2），其具有：

至少一个第一能量供给分支（2a，2b，2c），其被设计用于经由第一接线端子（3a，3b，3c）向外激励电机（1）供给电能；和

第二能量供给分支（2d），其与所述至少一个第一能量供给分支（2a，2b，2c）并联并且被设计用于经由第二接线端子（3d）向外激励电机（1）的励磁绕组（11）供给电流，

其中所述至少一个第一能量供给分支（2a，2b，2c）和所述第二能量供给分支（2d）分别经由第三接线端子（4a，4b，4c；4d）与励磁绕组（11）连接。

2.根据权利要求1的储能器设备（2），其中所述至少一个第一能量供给分支（2a，2b，2c）和所述第二能量供给分支（2d）分别具有至少两个串联的储能器模块（5a，5b，5c，6a，6b，6c；5d，6d），所述储能器模块分别包括至少一个电储能器单元（7）与所分配的可控的耦合单元（8）。

3.根据权利要求2的储能器设备（2），其中所述至少一个第一能量供给分支（2a，2b，2c）的储能器模块（5a，5b，5c，6a，6b，6c）的耦合单元（8）包括全桥电路形式的开关元件。

4.根据权利要求3的储能器设备（2），其中所述第二能量供给分支（2d）的储能器模块（5d，6d）的耦合单元（8）包括半桥电路形式的开关元件，并且其中储能器设备（2）被设计用于向n向交流同步电机供给能量。

5.根据权利要求2的储能器设备（2），其中所述至少一个第一能量供给分支（2a，2b，2c）的储能器模块（5a，5b，5c，6a，6b，6c）的耦合单元（8）包括半桥电路形式的开关元件。

6.根据权利要求5的储能器设备（2），其中所述第二能量供给分支（2d）的储能器模块（5d，6d）的耦合单元（8）包括全桥电路形式的开关元件，并且其中储能器设备（2）被设计用于向外激励直流电机供给能量。

7.根据权利要求1至6之一的储能器设备（2），其中所述至少一个第一能量供给分支（2a，2b，2c）和所述第二能量供给分支（2d）分别经由第三接线端子（4a，4b，4c；4d）与共同的参考汇流排（9）连接。

8.系统，其具有：

外激励电机（1；20）；

可控的储能器（2），其具有：

       至少一个第一能量供给分支（2a，2b，2c），其经由第一接线端子（3a，3b，3c）与外激励电机（1；20）的能量供给接线端子（1a，1b，1c；22）连接；和第二能量供给分支（2d），其与所述至少一个第一能量供给分支（2a，2b，2c）并联并且经由第二接线端子（4a，4b，4c）与外激励电机（1；20）的励磁绕组（11；21）连接，

其中所述至少一个第一能量供给分支（2a，2b，2c）和所述第二能量供给分支（2d）分别经由第三接线端子（4a，4b，4c；4d）与共同的参考汇流排（9）连接，所述参考汇流排与外激励电机（1；20）的励磁绕组（11）连接。

9.根据权利要求8的系统，其中外激励电机（1）是n相交流同步电机，其中n≥1。

10.根据权利要求9的系统，其中外激励电机（20）是外激励直流电机。

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