CN105917550A - 具有平衡-不平衡变换器的电能储存装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有多个串联连接的蓄电池(C1、C2、C3)的电能储存装置(1)，并且涉及一种用于平衡蓄电池电压的电感式平衡－不平衡变换器(2)，其中，所述平衡－不平衡变换器具有针对这些蓄电池具有多个独立的单线圈(Tr1、Tr2、Tr3)的平衡变压器(3)，并且针对每个蓄电池具有相应的电开关(T1、T2、T3)。根据本发明提供的是，平衡变压器的线圈通过相应的至少一个电感(L1、L2、L3)和连接至所述电感的开关来连接至相应蓄电池的电极，其中，与一个相应蓄电池相关联的开关通过二极管(D1、D2、D3)连接至相应设置在上游或下游的蓄电池的电极。

Description

具有平衡-不平衡变换器的电能储存装置

技术领域

本发明涉及一种具有多个串联连接的蓄电池的电能储存装置，并且涉及一种用于平衡蓄电池电压的电感式平衡－不平衡变换器，其中，平衡－不平衡变换器具有针对这些蓄电池具有多个独立单线圈的平衡变压器，并且针对每个蓄电池具有相应的电开关。

背景技术

为了能够高效地运行具有高度可变和周期性功耗的电气机器，有必要提供可以储存大量能量并且可以在短时间内接收和输出它们的能量储存器。例如对以下各项提出了此类要求：包括电气牵引驱动器的自推进式工作机器，例如移动式施工机械，而且还有陆用装置，陆用装置由于高度变化的功耗有时不能连接至公共电网，并且需要其自己的发电机。然而，此类能量储存器一般还可感测具有电气驱动器的上网机器，如果它们具有高度可变且周期性功耗的话。

然而，电能储存元件(如允许快速充电和放电的电容器)通常具有有限的储能，所述储能不足够用于需要储存大量能量的应用。因此，一般有必要连接此类储能元件以形成储能模块。在这方面，为了能够实现高电压值，必须将多个储能元件串联连接，其中个体原件的标称电压值较低。

然而，具体地，必须保证当对串联连接的电能储存元件充电时，这些储能元件中的单个元件都不电压过载。如果在充电时所述个体元件已经被充电至标称电压，但其它元件仍然离其标称电压相当远并且因此必须进一步被充电，则蓄电池以及电容器都可能存在个体元件过载的风险。

不具有电绝缘电介质、但通常在其两个电极之间具有电解质的双层电容器本身很强大，但还配备有非常小的标称电压。在此，电能的储存通过边界表面处的电荷转移而发生，由此实现大电容值，但容许电压同时被限制为几伏特。如果能量储存器由多个所述电容器串联构成，没有一个电容器可以超过其容许电压最大值，因为否则电解液会发生不可逆的改变。

平衡-不平衡变换器可以用于尽可能多地利用储能元件的容许能量含量，但另一方面用于避免任何过度充电或过电压。如果储存块的蓄电池电压是平衡的，这些蓄电池就以相同的方式老化，并且该块以这种方式被赋予了最长的使用寿命。使用充满电的双层电容器蓄电池，仅0.1V的附加电压就已经可以将使用寿命减半。

针对此类平衡-不平衡变换器存在不同的方法。首先必须分辨无源方案和有源方案。然而，在无源方案中，能量被转化成热量并且从而在过高的电池电压下电池电压被降低，有源方案可以在具有低电压的电池和具有高电压的电池之间建立电荷平衡。

此类有源方案是用电容式或用电感式电路组件可获得的。在电容性方法中，电容器通常连接在具有最高电压的电池两端，所述电容器则被放置在具有最低电压的电池两端。在电感式方案中，跨多个个体变压器或跨具有多个绕组的公共变压器建立平衡。

例如从文件DE10039407A1、DE102005034588A1、DE 102009041005A1或DE102008048382A1获知了用于串联连接的蓄电池的不同的已知平衡-不平衡变换器。

由于使用通过电感式组件在具有低电压的电池和具有高电压的电池之间产生电荷平衡的已知电感式有源平衡-不平衡变换器，前述方案能够在各个方面得到提高。如果因为大量单个变压器的价格高而在串联连接的蓄电池只使用了一个公共平衡变压器，通常在所述多个个体绕组(每个蓄电池一个绕组)旁边设置有连接至储存块的输出电压的另外一个公共线圈。

在这方面，可以从储存块的总电压取得能量，并且可以例如以反激的形式建立开关式电源，反激将所储存的能量通过二极管馈送至每个个体电池中。这些二极管可以实现的是，具有最低电压的电池接收大部分所述能量，从而产生平衡。另一方面，还可以用蓄电池的能量建立开关式电源，其中，电感放电集中被馈送至总轨道中。在这种情况下，具有最高电压的蓄电池提供最多电流，从而其电压得到降低。在这方面，变压器在这些个体线圈旁边同样必须具有另外一个线圈，所述另外一个线圈具有从个体线圈的绕线匝数乘以蓄电池的数量计算出来的绕线匝数。

在所述这两种情况下，在用于n个蓄电池的n个线圈旁边，公共平衡变压器还需要具有大绕线匝数的附加线圈，所述绕线匝数是针对各自特定数量的电池计算的并且当使用不同数量电池时所述绕线匝数会发生改变。

在将能量从蓄电池通过公共变压器传送至其他电池中或总轨道中的已命名的过程中，平衡电流通常不受限制。然而，这就导致电流可以采用不受限制的高值，这个值取决于这些个体电池的电压差。相应地，用于个体电池的电子开关(具体地，相应的晶体管)必须具有非常大的尺寸，因为其最大电流不是固定的。同时，从平衡-不平衡变换器到储存块的分接头的电缆还需要更大的横截面。插头系统变得更加昂贵。

发明内容

从这一点开始，本发明的基本目的是提供一种最初已命名的类型的改进的电能储存装置，所述装置避免了现有技术的缺点并且进一步以有利的方式发展了后者。具体地，应当提供一种高效、简单构造的电感式平衡-不平衡变换器，其平衡变压器具有简单且廉价的设计，并且其开关很容易控制并且仅接触少量能量。

根据本发明用根据权利要求1所述的电能储能装置实现了已命名的目的。本发明的优选实施例是从属权利要求的主题。

因此，根据本发明提供的是，平衡变压器的这些线圈通过相应的至少一个电感和连接至已命名的电感的开关连接至相应蓄电池的电极，其中，与所述相应蓄电池相关联的开关通过二极管连接至分别设置在上游或下游的蓄电池的电极。可以通过已命名的二极管限制平衡电流，并且开关可以在有限的电流或电压下运行。

具体地，在这方面，在本发明的进一步发展中，与相应的蓄电池相关联并且包括电开关、平衡变压器的电势分离的线圈、电感以及二极管的电路组件可以彼此连接，使得已命名的线圈的第一端子分别连接至所述关联蓄电池的正极，已命名的线圈的第二端子连接至所述电感的第一端子，电感的第二端子连接至前述开关的第一端子，开关的第二端子连接至相关联的蓄电池的负极，前述二极管的阳极连接至开关的第一端子并且二极管的阴极连接至所述蓄电池的正极，该正极以串联连接方式在正极方向作为下一个接着。因此，连接至第一蓄电池的开关的二极管可以连接至串联连接的蓄电池的正极方向上的下一个蓄电池的正极。一般还可以考虑在连接二极管时跳过一个或多个蓄电池，即，将连接至第一蓄电池的开关的二极管连接至第三或第四蓄电池的正极。然而，前述的在正极方向连接至紧接着的下一个蓄电池允许更简单的布线以及更加均匀的电压平衡。

根据本发明的又一进一步发展，变压器绕组与电感的串联连接的顺序可以反转，具体地，使得电感的第一端子分别连接至相关联的蓄电池的正极并且变压器绕组的第二端子连接至开关的第一端子。

在连接至(具体地，在确实没有其他蓄电池的干涉的情况下直接地)储存块的正极的最顶端的蓄电池中，电感可以形成储存扼流圈，其中，已命名的储存扼流圈可包括两个相同的线圈。在这方面，这个储存扼流圈的第一线圈可以有利地根据其他蓄电池中的电感连接，然而，已命名的储存扼流圈的第二线圈有利地与另外的二极管串联引导至与储存块的负极端子相接触的最底部的蓄电池的相应正极端子或负极端子。在这方面，这个另外的二极管的阴极可以有利地面向更低的蓄电池的负极。

平衡-不平衡变换器有利地仅用一个与所有蓄电池一起相关联的平衡变压器进行管理，其中，已命名的变压器只能够具有带有相同数量绕组的线圈，其中，有利地，能够使用商用带状电缆设计线圈。对于n个(例如24个)蓄电池的设置，提供了n个(例如24个)独立的线圈，可以简单地且廉价地用相应的n电极(例如24电极)带状电缆实现这些线圈。

在本发明的进一步发展中，可以由变压器铁芯形成平衡变压器，带状线绕组绕变压器铁芯设置。有利地，带状线的每个引线可以在平衡变压器上形成电流分离的或电势分离的线圈。

有利地，平衡变压器的这种具有常规扁平带状插头的带状线可以被引导和连接或接触在印刷电路板上，在印刷电路板设置平衡-不平衡变换器的另外的组件。

有利地，已命名的平衡变压器可以具有多个这种具有带状线的线圈。

在本发明的进一步发展中，平衡变压器的铁芯至少部分地包括高渗透性铁氧体材料。在本发明的进一步发展中，平衡变压器的铁芯可以至少部分地包括纳米晶和/或非晶铁氧体材料。

在本发明的有利实施例中，可以提供的是，对于与蓄电池相关联的这些开关，每个蓄电池只设置一个开关。

在这方面，一般可以用不同的方式配置这些电开关。在本发明的进一步发展中，这些电开关中的至少一个电开关被设计成晶体管，其中，在本发明的进一步发展中，所有电开关都能够被设计成晶体管。

在本发明的进一步发展中，至少一个电开关(具体地，可以是每个电开关)可以形成为MOSFET晶体管或被形成为IGBT晶体管。

本发明的进一步有利的实施例可包括：至少一个电开关(具体地，可以是每个电开关)被设计成具有反向并联二极管的双极NPN晶体管。

在本发明的进一步发展中，可以为与蓄电池相关联的多个电开关(优选地，所有电开关)提供统一控制，统一控制具体地可以只用单个控制电路的形式来实施。

在本发明的有利的进一步发展中，恒定信号可以作用于多个电开关的(具体地，所有电开关的)控制端子，具体地使得所有的开关以同步的方式同时接通和/或同时断开。

有利地，只有一个脉冲发生器电路可以用于控制所有控制端子。

对电开关的控制可以通过栅极变压器和/或通过光耦合器在电势方面上或在电流上与储存块分开。

在储存元件侧可以省掉比较器、运算放大器或其他控制电路组件。

附图说明

下文中将结合优选实施例并且关于相关联的附图更详细地说明本发明。在附图中示出了：

图1：根据本发明的有利实施例的电能储存系统的示意性表示，所述电能储存系统具有多个串联连接的电容器形式的蓄电池并且具有用于平衡蓄电池电压的电感式平衡-不平衡变换器。

具体实施方式

如图1所示，能量储存器1或储能模块可以包括多个蓄电池C1、C2和C3，这些蓄电池是串联或串行连接的，并且这些蓄电池连接至能量储存器1的公共负极和公共正极。在这方面，蓄电池C1直接连接至负极，同时蓄电池C3被设置成最接近能量储存器1的正极。

即使图1仅示出了三个蓄电池C1、C2、C3，应理解的是，能量储存器1可以包括任意期望数量(具体地，多个)的彼此串联连接的蓄电池C1......Cn。

如图1所示，平衡-不平衡变换器2与串联连接的蓄电池C1、C2和C3相关联，并且包括平衡变压器3，所述平衡变压器是所有蓄电池共有的并且包括与蓄电池的数量相应的多个在电流上分开的线圈Tr1、Tr2和Tr3(在图1的实施例中为3个)。在这方面，已命名的线圈Tr1......Tr3可以被配置成绕变压器铁芯4缠绕的带状线的形式。已命名的带状线的引出线形成与蓄电池相关联的独立线圈。

如图1所示，这些线圈Tr1、Tr2和Tr3中的每一个线圈的相应第一端子可以连接至相应的相关联的蓄电池C1、C2和C3的正极，同时，已命名的变压器线圈Tr1、Tr2或Tr3的相应第二端子连接至电感L1、L2和L3的第一端子，每个电感同样与已命名的蓄电池C1、C2和C3之一相关联。在这方面，已命名的电感L1、L2和L3的相应第一端子可以如图1中所示连接至已命名的线圈Tr1、Tr2和Tr3之一，同时，相应的电感L1、L2和L3的第二端子连接至电开关T1、T2或T3的第一端子，其中，这种开关T1、T2和T3分别与相应的蓄电池C1、C2或C3相关联。每个开关T1、T2和T3的第二端子可以具体地连接至相应相关联的蓄电池C1、C2和C3的负极，参见图1。

在这方面，线圈Tr1、Tr2和Tr3的串联连接顺序和电感L1、L2和L3的串联连接顺序都可以交换，使得电感L1、L2和L3的相应第一端子连接至相关联的蓄电池C1、C2和C3的正极，同时线圈Tr1、Tr2和Tr3的第二端子连接至开关T1、T2和T3的第一端子。

如图1所示，可以为已命名的开关T1、T2和T3提供统一控制，其中，具体地，可以为所有的开关T1、T2和T3一起提供脉冲发生器电路5，脉冲发生器电路向所有电开关T1、T2和T3施加恒定信号，使得所有开关T1、T2和T3以同步的方式同时接通和断开。

在连接至储存块1的正极的最顶端的蓄电池C3中，电感L3可以被设计成具有两个优选地相同的线圈的储存扼流圈，其中，这个储存扼流圈的第一线圈可以像其他蓄电池C1和C2中的电感L1和L2一样连接，所述电感的第一端子连接至绕组并且其第二端子连接至开关T3(或实际上以前述反向方式)。已命名的储存扼流圈L3的第二绕组在每种情况下可以与另外的二极管D3串联引导至与能量储存器1的负极端子相接触的最底部的蓄电池C1的正极或负极，其中，这个另外的二极管D3的阴极面朝更低的蓄电池的正极。

如图1所示，平衡-不平衡变换器2可以包括为相关联的蓄电池C1和C2设置的二极管D1、D2，其中，有利地，相应二极管D1、D2的阳极连接至相关联的蓄电池C1、C2的前述开关T1、T2的第一端子，同时，所述二极管D1、D2的阴极可以连接至串联连接的蓄电池正极方向上的下一个相关联的蓄电池C1、C2的正极，参见图1。

Claims (22)

1.一种电能储存装置，其具有多个串联连接的蓄电池(C1，C2，C3)并且具有用于平衡蓄电池电压的电感式平衡－不平衡变换器(2)，其中，所述平衡－不平衡变换器(2)具有针对这些蓄电池(C1，C2，C3)具有多个独立的单线圈(Tr1，Tr2，Tr3)的平衡变压器(3)，并且针对每个蓄电池(C1，C2，C3)具有相应的电开关(T1，T2，T3)，其特征在于，所述平衡变压器(3)的这些线圈(Tr1，Tr2，Tr3)通过至少一个相应电感(L1，L2，L3)并且通过连接至已命名的电感(L1，L2，L3)的开关(T1，T2，T3)连接至相应蓄电池(C1，C2，C3)的电极，其中，与相应的蓄电池(C1，C2，C3)相关联的所述开关(T1，T2，T3)通过二极管(D1，D2，D3)连接至设置在上游或下游的相应蓄电池(C1，C2，C3)的电极。

2.根据前一权利要求所述的电能储存装置，其中，与相应的蓄电池(C1，C2，C3)相关联并且包括电开关(T1，T2，T3)、所述平衡变压器(3)的电势分离的线圈(Tr1，Tr2，Tr3)、电感(L1，L2，和L3)以及二极管(D1，D2，D3)的平衡－不平衡变换器组件彼此连接，使得已命名的线圈的第一端子连接至所述蓄电池的正极，已命名的线圈的第二端子连接至所述电感的第一端子，所述电感的第二端子连接至所述开关的第一端子，所述开关的第二端子连接至所述蓄电池的负极，所述二极管的阳极连接至所述开关的已命名的第一端子并且所述二极管的阴极连接至串联连接的蓄电池的正极方向上的下一个蓄电池的正极。

3.根据前一权利要求所述的电能储存装置，其中，将所述线圈与所述电感的串联连接的顺序交换，使得所述电感的第一端子连接至所述蓄电池的正极并且所述线圈的第二端子连接至所述开关的第一端子。

4.根据前述权利要求之一所述电能储存装置，其中，在连接至能量储存器(1)的正极的最顶端的蓄电池(C3)中，所述电感(L3)被配置成具有两个优选地相同的线圈的储存扼流圈。

5.根据前一权利要求所述的电能储存装置，其中，已命名的储存扼流圈的第一线圈设置在都与所述蓄电池(C3)相关联的所述平衡变压器(3)的线圈(Tr3)和所述电开关(T3)之间，并且一个端子连接至所述已命名的线圈并且另一端子连接至所述已命名的开关，同时，所述已命名的储存扼流圈的第二线圈(L3)相应地与另外一个二极管(D3)串联引至与所述储存块(1)的负端子接触的所述蓄电池(C1)的正极端子和负极端子，其中，这个另外的二极管(D3)的阴极面朝所述已命名的蓄电池(C1)的正极。

6.根据前述权利要求之一所述的电能储存装置，其中，这些电开关(T1，T2，T3)被配置成晶体管。

7.根据前述权利要求之一所述的电能储存装置，其中，这些电开关(T1，T2，T3)被配置为MOSFET晶体管或IGBT晶体管。

8.根据前述权利要求之一所述的电能储存装置，其中，这些电开关(T1，T2，T3)被设计成具有反向并联二极管的双极NPN晶体管。

9.根据前述权利要求之一所述的电能储存装置，其中，对所有电开关(T1，T2，T3)提供了统一控制，具体地，仅为单个控制电路。

10.根据前述权利要求之一所述的电能储存装置，其中，仅提供了一个脉冲发生器电路(5)用于控制所有电开关(T1，T2，T3)。

11.根据前述权利要求之一所述的电能储存装置，其中，恒定控制信号可以作用于所有电开关(T1，T2，T3)的控制端子，使得所有电开关(T1，T2，T3)以同步的方式同时接通和/或同时断开。

12.根据前述权利要求之一所述的电能储存装置，其中，通过栅极变压器和/或通过光耦合器电路使对这些电开关(T1，T2，T3)的控制与所述蓄电池(C1，C2，C3)在电流上分开。

13.根据前述权利要求之一所述的电能储存装置，其中，所述平衡变压器(3)包括变压器铁芯(4)，带状线的绕组绕所述变压器铁芯缠绕，所述带状线的引线在所述平衡变压器(3)上形成独立的线圈(Tr1，Tr2，Tr3)。

14.根据前一权利要求所述的电能储存装置，其中，所述带状线的带状插头连接并接触在印刷电路板上，所述印刷电路板具有所述平衡-不平衡变换器(2)的另外的平衡组件。

15.根据前述两项权利要求之一所述的电能储存装置，其中，所述平衡变压器(3)具有多个带有带状线的线圈。

16.根据前述权利要求之一所述的电能储存装置，其中，所述平衡变压器(3)的所述变压器铁芯(4)至少部分地包括高渗透性铁氧体材料。

17.根据前述权利要求之一所述的电能储存装置，其中，所述平衡变压器(3)的所述变压器铁芯(4)至少部分地包括纳米晶和/或非晶铁氧体材料。

18.根据前述权利要求之一所述的电能储存装置，其中，只有一个电开关(C1，C2，C3)与每个蓄电池(C1，C2，C3)相关联。

19.根据前述权利要求之一所述的电能储存装置，其中，对所述平衡-不平衡变换器的控制不受蓄电池(C1，C2，C3)侧的多个比较器和多个运算放大器的影响。

20.根据前述权利要求之一所述的电能储存装置，其中，所述平衡-不平衡变换器(2)仅包括与所有蓄电池(C1，C2，C3)一起相关联的所述已命名的平衡变压器(3)。

21.根据前述权利要求之一所述的电能储存装置，其中，只有一个电感(L1，L2，L3)与每个蓄电池(C1，C2，C3)相关联。

22.一种电能储存装置，其中，为每个蓄电池(C1，C2，C3)只设置了一个相应二极管(D1，D2，D3)。