CN105555583A - 能量储存器装置、能量储存器系统和用于运行能量储存器装置的方法 - Google Patents

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迈克尔·迈纳特
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Abstract

本发明的主题是一种能量储存器装置(20)，所述能量储存器装置具有能量储存器(9)和升压变换器(11)，所述能量储存器可经由降压变换器(5)和扼流装置(4)连接到电的能量供给装置(2)上，其特征在于，升压变换器(11)与能量储存器(9)和降压变换器(5)并联地设置，并且能量储存器(9)适合于充电到与电的能量供给装置(2)的电压水平相比更高的电压水平上。此外，本发明的主题是一种具有多个能量储存器装置(31-33，44-46)的能量储存器系统(30，40)和一种用于运行能量储存器装置(20)的方法。

Description

能量储存器装置、能量储存器系统和用于运行能量储存器装置的方法
技术领域
本发明涉及一种能量储存器装置，所述能量储存器装置具有能量储存器和升压变换器，所述能量储存器可经由降压变换器和扼流装置连接到电的能量供给装置上。此外，本发明涉及一种具有多个开始提出的能量储存器装置的能量储存器系统和一种用于运行能量储存器装置的方法。
背景技术
电驱动的车辆，例如轨道车辆、如有轨电车通常配备有能量储存器。能量储存器用于在制动时以电的方式储存制动能量并且稍后再次用于行驶运行。此外，能量储存器实现轨道车辆的无架空导线的行驶进而使得轨道车辆在没有外部的电能量供给装置的情况下自主地投入使用。
从MichaelMeinert博士在2008年第132期的ZEVrail中发表的会议论文集SFTGraz2008的文献“EinsatzneuerEnergiespeicheraufStraβenbahnen”中已知具有移动式能量储存器的有轨电车(参见所附的图1，图1为了简化而单相地示出)。作为能量储存器，提出一种2kWh双层电容能量储存器。在此，将去耦电容器和脉冲逆变器连接在电网滤波扼流圈下游，所述电网滤波扼流圈与外部的电的能量供给装置连接(参见该文献75页的图5)。将控制器扼流圈连接到脉冲逆变器的升压变换器和降压变换器上，在所述脉冲逆变器的下游连接有双层电容器。在双层电容器的所提出的接线中提出：与电的能量供给装置的电压水平相比将双层电容器充电到更低的电压水平上。
发明内容
本发明的目的是：提供一种具有能量储存器的能量储存器装置，所述能量储存器装置提供相对较高的电功率以及能够以相对小的电路技术方面的耗费来实现。
作为该目的的解决方案，本发明根据权利要求1提出一种能量储存器装置，所述能量储存器装置具有能量储存器和升压变换器，所述能量储存器可经由降压变换器和扼流装置连接到电的能量供给装置上，其中升压变换器与能量储存器和降压变换器并联设置，并且能量储存器适合于与电的能量供给装置的电压水平相比充电到更高的电压水平上。
升压变换器用于借助由电的能量供给装置提供的较低的电压给能量储存器充电，而降压变换器用于使能量储存器放电。
升压变换器根据其时钟频率在接通时产生与电的能量供给装置的短路，其中通过扼流装置限制所产生的电流。根据升压变换器的时钟频率在切断升压变换器时，扼流装置维持电流流动并且经由降压变换器的续流二极管使电流流动转向到能量储存器中。由此能量储存器装置实现：与电的能量供给装置的电压水平相比，将能量储存器充电到更高的电压水平上。
扼流装置通过平滑电流将电网与能量储存器解耦，这是有利的。
在额定电流相同的情况下，根据本发明的能量储存器装置因此能够提供更大的电功率，因为电功率定义为电流和电压的乘积。这是有利的，因为因此例如为车辆的电驱动器提供更高的电功率。
根据本发明的能量储存器装置的另一优点是：既不需要去耦电容器，因为能量储存器本身提供用于开关根据本发明的能量储存器装置的稳定的电压，也不需要控制器扼流圈。由此，减小根据本发明的能量储存器的所需要的装入空间、重量和制造成本。尤其在将能量储存器装置应用到车辆中时，由于较小的重量也在行驶运行中减少能量消耗。
在根据本发明的能量储存器装置的一个优选的实施方式中，降压变换器在其用于待降低的电压的端子处与能量储存器连接。降压变换器分别具有至少一个用于待降低的电压和已降低的电压的端子。在此，将用于待降低的电压的端子理解为降压变换器的如下端子，在所述端子上施加有相对较高的电压；已经通过降压变换器的作用降低的电压施加在用于已降低的电压的端子上。这是有利的，因为降压变换器可用于使相对于电的能量供给装置的电压充电到更高的电压水平上的能量储存器放电。另一优点是：降压变换器的续流二极管在将能量储存器充电到电的能量供给装置的电压水平上时不截止。
在根据本发明的能量储存器装置的另一优选的实施方式中，扼流装置构成为，使得所述扼流装置作用为控制器扼流圈并且作用为电网滤波扼流圈。这是有利的，因为唯一的扼流装置是足够的并且不需要电网扼流圈和附加的控制器扼流圈。
在根据本发明的能量储存器装置的另一优选的实施方式中，预充电装置连接在能量储存器的上游。预充电装置的应用是有利的，因为通过所述预充电装置能够受控地将已放电的能量储存器预充电到电的能量供给装置的电压水平上。由此，从预充电的能量储存器起确保所应用的降压变换器和升压变换器正确地起作用。
在根据本发明的能量储存器装置的所提出的实施方式的一个改进形式中，预充电装置设置在降压变换器和能量储存器之间。
在根据本发明的能量储存器装置的所提出的实施方式的另一改进形式中，预充电装置设置在扼流装置上游。
在根据本发明的能量储存器装置的另一优选的实施方式中，预充电装置具有预充电电阻和预充电开关装置。这是有利的，因为预充电电阻实现能量储存器的受控的充电并且预充电开关装置实现预充电装置的接通或断开。
在根据本发明的能量储存器装置的另一优选的实施方式中，保险装置设置在能量储存器下游。这是有利的，因为在故障情况下保险装置防止出现过高的电流或过高的电压和与其关联的危险。
在根据本发明的能量储存器装置的另一优选的实施方式中，能量储存器开关装置与预充电装置并联地设置。通过能量储存器开关装置能够快速且可靠地接通或断开能量储存器，这例如在维修工作期间是极其重要的。此外，预充电装置能够短暂地闭合。
在根据本发明的能量储存器装置的另一优选的实施方式中，电的能量供给装置包括轨道供电电网。这是有利的，因为尤其在由轨道电网供电的移动式的和/或固定式的(例如在充电站/车站中)能量储存器装置中需要用于轨道车辆的驱动器的尤其高的电功率；这通过能量储存器装置的位于轨道电网的电压水平之上的电压水平来实现。
在根据本发明的能量储存器装置的另一优选的实施方式中，能量储存器包括车辆的移动式的能量储存器。这是有利的，因为车辆、例如轨道车辆需要高的电功率，以便能够在没有外部的电的能量供给装置的情况下行驶。通过根据本发明的能量储存器装置，与在已知的能量储存器装置中相比，在重量相对更小且装入空间相对更小的情况下产生高的功率。另一优点是：由于较小的装入空间和相对简单的电路在制造中产生较小的成本。
在根据本发明的能量储存器装置的另一优选的实施方式中，能量储存器包括固定式的能量储存器。在此，其例如能够是用于电动车或电的轨道车辆的充电站处的双层电容器，所述双层电容器经由电的低压电网的常规的供电线路来供电并且能够通过根据本发明的能量储存器装置充电到与供电线路的电压水平相比更高的电压水平上。这是有利的，因为由此在短的时间中能够提供用于对电动车或电的轨道车辆充电的高的电功率。
在根据本发明的能量储存器装置的另一优选的实施方式中，能量储存器包括电化学的能量储存器和/或电的能量储存器和/或赝电容器。电化学的能量储存器例如能够是电池。应用电化学的能量储存器是有利的，因为电化学的能量储存器能够储存大量的电能。电化学的能量储存器的另一优点是：这些电化学的能量储存器的尺寸能够设计成，使得即使在电化学的能量储存器最大放电的情况下，电化学的能量储存器的剩余电压也位于供给电压之上；由此，能够经由降压变换器提取整个能量含量。电的能量储存器例如能够是双层电容器。应用电的能量储存器是有利的，因为该电能量储存器可在尤其短的时间中充电和放电进而例如能够在电的轨道车辆中在短的时间中为加速过程提供大量的能量。除了双层电容器之外，应用赝电容器或混合电容器也是可行的。基本上所有能量储存器类型在内部能够由多个模块构造，所述模块并联连接和/或串联连接。
在根据本发明的能量储存器装置的另一优选的实施方式中，将电网开关装置设置在扼流装置上游。电网开关装置在需要时将能量储存器装置与电的能量供给装置隔断或者将其接通。这是有利的，因为通过电网开关装置由此在故障情况下或在维修工作中确保能量供给装置的快速的接通或断开。
根据本发明的另一方面，提出一种能量储存器系统，其中根据本发明的多个能量储存器装置并联连接。这是有利的，因为通过应用多个能量储存器装置在控制器故障时始终能够通过其余的控制器和相应剩余的能量储存器提供电功率。在根据本发明的能量储存器系统的上述实施方式的一个优选的改进形式中，借助于共同的电网扼流装置能够将并联连接的能量储存器装置连接到电的能量供给网络2上。这是有利的，因为仅需要一个扼流装置进而能够省掉多个扼流装置。这降低制造成本并且减小能量储存器系统的装入空间，这不仅在制造时而且在运行时节约成本。
在上述根据本发明的能量储存器系统的另一优选的改进形式中，可借助于各一个电网扼流装置将并联连接的能量储存器装置连接到电的能量供给网络上。这是有利的，因为通过为每个能量储存器应用各一个电网扼流装置能够单独不同地对能量储存器进行电加载。由此也能够应用不同的能量储存器类型，所述能量储存器类型例如分别具有不同的最大电压。
此外，本发明的主题是一种用于运行能量储存器装置的方法，所述能量储存器装置具有：能量储存器，所述能量储存器可经由降压变换器和扼流装置连接到电的能量供给装置上，其中所述能量储存器连接到用于降压变换器的待降低的电压的端子上；和与能量储存器和降压变换器并联设置的升压变换器，其中
-通过根据升压变换器的时钟频率接通升压变换器以使电的能量供给装置短路的方式，对能量储存器充电，其中借助于扼流装置限制所产生的电流，并且根据升压变换器的时钟频率断开升压变换器，其中电流流动借助于扼流装置转向到能量储存器中；
-通过借助于降压变换器将能量储存器的输出电压下降到电的能量供给装置的电压水平上的方式，使能量储存器进行放电。按意义而言产生与开始针对根据本发明的能量储存器装置所描述的优点相同的优点。
在根据本发明的方法的一个优选的改进形式中，借助于预充电装置将能量储存器预充电到电的能量供给装置的电压水平上。按意义而言产生如开始针对根据本发明的能量储存器装置所描述的优点相同的优点。
附图说明
在附图中，
图1示出现有技术的能量储存器装置的示意图，和
图2示出根据本发明的能量储存器装置的一个实施方式的示意图，和
图3示出根据本发明的能量储存器系统的一个实施方式的示意图，和
图4示出根据本发明的能量储存器系统的另一实施方式的示意图。
具体实施方式
在图1中以简化的、单相的视图描绘从MichaelMeinert博士的文章“EinsatzneuerEnergiespeicheraufStraβenbahnen”(75页，图5)中已知的能量储存器装置，所述能量储存器装置借助于脉冲逆变器三相地构成。在此，电的能量供给装置2、如轨道供电电网经由电网开关装置3和电网扼流装置4与去耦电容器6连接。
以与去耦电容器6并联的方式设有由降压变换器5和升压变换器11构成的串联电路。升压变换器和降压变换器5、11例如是可控的半导体元件，如IGBT。降压变换器5在其用于待降低的电压的端子处与扼流装置4或电的能量供给装置2连接。
在降压变换器5和升压变换器11之间连接有控制器扼流圈7，能量储存器开关装置8设置在所述控制器扼流圈下游。能量储存器开关装置8是可控的开关。能量储存器9设置在能量储存器开关装置8下游。能量储存器9例如是电的能量储存器，例如双层电容器和/或电化学的能量储存器，例如电池和/或赝电容器。保险装置10设置在能量储存器9下游。控制器扼流圈7、能量储存器开关装置8、能量储存器9和保险装置10串联连接并且与升压变换器11并联连接。去耦电容器6、升压变换器11和保险装置10并联连接并且与汇流排12连接。
现在将简短地阐述能量储存器装置1的工作方式。电网开关装置3在需要时将能量储存器和装置的其余部分与电的能量供给装置2隔断。电网扼流装置4通过平滑电流将电的能量供给装置2与能量储存器9解耦。去耦电容器6设计作为中间回路电容器并且保证稳定的电压，由此能够适当地对升压变换器和降压变换器进行时钟控制。降压变换器5用于给能量储存器9充电。在此，电的能量供给装置2与能量储存器9的最大充电电压相比具有更高的电压。降压变换器5因此用于在能量储存器9的电回路中设置所期望的充电电流。升压变换器11用于使能量储存器9放电；使得能量储存器9尽管其相对于电的能量供给装置2具有更低的电压但是仍能够对电的能量供给装置2馈电。能量储存器开关装置8用于例如为了维修目的而将能量储存器9隔断。保险装置10限制故障情况下的电流。
在根据本发明的能量储存器装置20的在图2中示出的实施方式中，升压变换器11与由降压变换器5和能量储存器9构成的串联电路并联连接。设置在这两个变换器5、11上游的扼流装置4在根据本发明的能量储存器装置20中不仅用作为电网扼流圈还有控制器扼流圈。能量储存器9和保险装置10连接在降压变换器5下游，其中降压变换器(5)在其用于待降低的电压的端子处与能量储存器(9)连接。在降压变换器5和能量储存器9之间设有能量储存器开关装置8，预充电装置21与所述能量储存器开关装置并联连接。预充电装置21由预充电电阻22和预充电开关装置23构成。现在将简短地探讨能量储存器装置20的工作方式。
与根据图1的现有技术的实施方式相反，降压变换器5借助其输入侧不再与扼流装置4和连接到其上的电的能量供给装置2连接，而是连接到能量储存器9上。降压变换器不再用于给能量储存器9充电，而是用于放电。对降压变换器进行时钟控制，使得较高的储存器电压匹配于电的能量供给装置2的较低的电压，以至于设置所期望的放电电流。对此，能够应用不同的在现有技术中已知的时钟控制方法。
升压变换器11根据图2借助其输出侧经由扼流装置4连接到电的能量供给装置2上并且用于给能量储存器9充电。在接通时，升压变换器11产生与电的能量供给装置2的短路；所产生的电流通过扼流装置4限制。在断开时，尽管电的能量供给装置2的电压小于能量储存器的电压水平，但是扼流装置4维持电流流动并且经由降压变换器11的续流二极管4使电流转向到储存器中，使得该储存器被充电。对此，同样能够使用现有技术的用于时钟控制的不同的已知的方法。预充电装置21对于能量储存器9的电压水平低于电的能量供给装置2的电压的情况而言是必需的。这种情况例如能够由于为了维修目的放电而发生。能量储存器9必须首先充电，由此变换器能够如上述那样工作。通过预充电装置，能量储存器9能够以受控的方式充电到电的能量供给装置2的电压上。在图2中示出的实施例中，预充电装置安置在降压变换器5和能量储存器9之间。然而替选地，预充电装置也能够连接在扼流装置4或电网开关装置3的上游。为了平滑电网侧的电流能够设有在图2中未示出的滤波设备，所述滤波设备例如由滤器电容器形成并且与扼流装置4共同地实现所期望的滤波作用，其中扼流装置4不仅用作为控制器扼流圈而且用作为电网滤波扼流圈。
与根据图1的已知的能量储存器装置1相反，不需要去耦电容器，因为能量储存器9本身提供用于开关变换器5、11的稳定的电压。另一优点是：不需要如在图1中设置的控制器扼流圈7，因为该功能由扼流装置4承担。
通过根据图2的升压变换器11和降压变换器5的改型的设置，与图1相比，能量储存器9的电压水平提高超过电的能量供给装置2的电压水平。此外，省掉去耦电容器和控制器扼流圈，这降低制造和维修成本以及减小重量和组件大小。
在根据本发明的能量储存器系统30的在图3中示出的实施方式中，三个能量储存器装置31至33共同地经由扼流装置4连接到电的能量供给装置2上。在此，在图3中以及在图4中选择与在图1和2中不同的展示方式，以便能够更简单地描绘具有多个能量储存器装置31至33的设置。由此，确保用于能量储存器系统30中的全部能量储存器9的相同的电压水平和相同的电流流动。该电路的优点是：通过共同地应用扼流圈装置4省掉用于每个单独的能量储存器9的另外的扼流装置。另一优点是：故障的变换器不引起能量储存器系统30的完全失效，因为能够借助剩余的变换器5、11使用剩余的能量储存器9。
在根据图4的根据本发明的能量储存器系统40的实施方式中，为每个能量储存器装置44至46设置各一个扼流装置41至43。这具有下述优点：能量储存器9能够充电到不同的电压水平上。这尤其通过如下方式而是有利的：能量储存器9能够单独不同地加载并且在三个能量储存器装置44至46中也能够分别使用不同类型的能量储存器。能量储存器9中的一个例如能够为电化学的电池，而另外的能量储存器9是双层电容器。

Claims (18)

1.一种能量储存器装置(20)，所述能量储存器装置具有能量储存器(9)和升压变换器(11)，所述能量储存器能够经由降压变换器(5)和扼流装置(4)连接到电的能量供给装置(2)上，
其特征在于，
所述升压变换器(11)与所述能量储存器(9)和所述降压变换器(5)并联地设置，以及
所述能量储存器(9)适合于充电到与电的所述能量供给装置(2)的电压水平相比更高的电压水平上。
2.根据权利要求1所述的能量储存器装置，其中所述降压变换器(5)在其用于待降低的电压的端子处与所述能量储存器(9)连接。
3.根据权利要求1或2所述的能量储存器装置，其中所述扼流装置(4)构成为，使得所述扼流装置作用为控制器扼流圈并且用作为电网滤波扼流圈。
4.根据上述权利要求中任一项所述的能量储存器装置，其中预充电装置(21)连接在所述能量储存器(9)上游。
5.根据权利要求4所述的能量储存器装置，其中所述预充电装置设置在降压变换器(5)和能量储存器(9)之间。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的能量储存器装置，其中所述预充电装置设置在所述扼流装置4上游。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的能量储存器装置，其中所述预充电装置(21)具有预充电电阻(22)和预充电开关装置(23)。
8.根据上述权利要求中任一项所述的能量储存器装置，其中保险装置(10)设置在所述能量储存器(9)下游。
9.根据上述权利要求中任一项所述的能量储存器装置，其中能量储存器开关装置(8)与所述预充电装置(21)并联地设置。
10.根据上述权利要求中任一项所述的能量储存器装置，其中电的所述能量供给装置(2)包括轨道供电电网。
11.根据上述权利要求中任一项所述的能量储存器装置，其中所述能量储存器(9)包括车辆的移动式的能量储存器。
12.根据权利要求1至10中任一项所述的能量储存器装置，其中所述能量储存器(9)包括固定式的能量储存器。
13.根据上述权利要求中任一项所述的能量储存器装置，其中所述能量储存器(9)包括电化学的能量储存器和/或电的能量储存器和/或赝电容器。
14.一种能量储存器系统(30，40)，其中根据上述权利要求中任一项所述的多个能量储存器装置(31-33，44-46)并联连接。
15.根据权利要求14所述的能量储存器系统，其中并联连接的所述能量储存器装置(31-33)能够借助于共同的扼流装置(4)连接到电的所述能量供给网络(2)上。
16.根据权利要求14所述的能量储存器系统，其中并联连接的所述能量储存器装置(44-46)能够分别借助于扼流装置(41-43)连接到电的所述能量供给网络(2)上。
17.一种用于运行能量储存器装置(20)的方法，所述能量储存器装置具有：能量储存器(9)和升压变换器(11)，所述能量储存器能够经由降压变换器(5)和扼流装置(4)连接到电的能量供给装置(2)上，所述升压变换器与所述能量储存器(9)和所述降压变换器(5)并联地设置，其中所述能量储存器(9)连接到所述降压变换器(5)的用于待降低的电压的端子上，其中
-通过根据所述升压变换器(11)的时钟频率接通所述升压变换器以将电的所述能量储存器(2)短路的方式，给所述能量储存器(9)充电，其中借助于所述扼流装置(4)限制所产生的电流，并且根据所述升压变换器(11)的时钟频率断开所述升压变换器(11)，其中借助于所述扼流装置(4)使电流流动转向到所述能量储存器(9)中；
-通过借助于所述降压变换器(11)将所述能量储存器(9)的输出电压下降到电的所述能量供给装置(2)的电压水平上的方式，使所述能量储存器(9)放电。
18.根据权利要求17所述的方法，其中借助于预充电装置将所述能量储存器(9)预充电到电的所述能量供给装置(2)的电压水平上。
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