CN108233739B - 用于能量采集的转换器设备及其用途和能量发生器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于能量采集的转换器设备及其用途和能量发生器。用于能量采集的转换器设备(2)包括转换器(4)和相关控制装置(5)。转换器(4)包括用于在施加被连接的能量采集装置(3)的正电压时给流电能源存储器(8)充电的第一充电电路(11)和用于在施加被连接的能量采集装置(3)的负电压时给流电能源存储器(8)充电的第二充电电路(12)。充电电路(11，12)均具有电子开关(13，15)和与电子开关串联的电能存储器(15，16)。控制装置(5)用于基于施加的能量采集装置(3)的电压(vh)的极性而致动电子开关(13，15)。

Description

用于能量采集的转换器设备及其用途和能量发生器
技术领域
德国专利申请DE102016224639.9的内容通过引用结合于此。
背景技术
本发明涉及用于能量采集的转换器设备且涉及具有这种转换器设备的能量发生器。而且，本发明涉及这种转换器设备的用途。
能量采集意味着例如从在移动电器周围的来源、诸如从环境温度或从振动采集小量的电力。诸如热电发生器或压电晶体的可应用能量采集装置例如提供相同极性的电压(DC电压)或交变极性的电压(AC电压)。为了能够高效地使用借助于能量采集装置提供的能量，需要转换器设备。
发明内容
本发明基于的目的是为能量采集提供简单、可靠、高效且通用的转换器设备，所述转换器设备能够在由能量采集装置提供的相同极性的电压下和交变极性的电压下操作。
这个目的由用于能量采集的转换器设备实现，所述转换器设备包括
-转换器，其具有
--第一输入连接器和第二输入连接器，用于连接到能量采集装置，
--第一输出连接器和第二输出连接器，用于连接到流电能源存储器，
--第一充电电路，用于以向输入连接器施加的能量采集装置的正电压给流电能源存储器充电，第一充电电路具有
---第一电子开关和
---与第一电子开关串联的第一电能存储器，其中，第一能量存储器包括第一线圈、第一电容器和第一阻塞元件，
--第二充电电路，用于以向输入连接器施加的能量采集装置的负电压给流电能源存储器充电，具有
---第二电子开关和
---与第二电子开关串联的第二电能存储器，其中，第二能量存储器包括第二线圈、第二电容器和第二阻塞元件，
-控制装置，用于基于向输入连接器施加的能量采集装置的电压的极性而致动第一电子开关和第二电子开关，且
其中，第一充电电路和第二充电电路并联于彼此。
转换器配置为升压型转换器(stepupconverter)。由于转换器包括能够借助于向输入连接器施加的正电压操作的第一充电电路和能够借助于向输入连接器施加的负电压操作的第二充电电路，转换器允许向输入连接器施加的交变极性的电压转换成DC电压(AC/DC转换)和向输入连接器施加的相同极性的电压转换成DC电压(DC/DC转换)。为此，充电电路均具有电子开关和与电子开关串联的电能存储器。控制装置用于基于向输入连接器施加的电压的极性而致动电开关，以使得依据极性，第一充电电路或第二充电电路操作、或两个充电电路交替地操作。
转换器设备确保电力的简单且高效的存储和提供。第一线圈并联于第一电容器。第一阻塞元件与第一线圈或第一电容器串联。第一阻塞元件例如配置为二极管。第一阻塞元件设置成使得在第一切换状态下，如果第一电子开关接通，则能量借助于向输入连接器施加的正电压存储在第一线圈中。在第一切换状态下，第一阻塞元件防止第一电容器的充电。在后续第二切换状态下，如果第一电子开关切断，则第一电容器借助于经由第一阻塞元件的流动电流被第一线圈充电。
第二线圈并联于第二电容器。第二阻塞元件与第二线圈或第二电容器串联。第二阻塞元件例如配置为二极管。第二阻塞元件设置成使得在第一切换状态下，如果第二电子开关接通，则能量借助于向输入连接器施加的负电压存储在第二线圈中。在第一切换状态下，第二阻塞元件防止第二电容器的充电。在后续第二切换状态下，如果第二电子开关切断，则第二电容器借助于经由第二阻塞元件的电流流动被第二线圈充电。
如果转换器设备与生成交变极性的电压的能量采集装置一起操作，则第一电容器和第二电容器均与输出连接器之一连接(AC/DC转换)。如果转换器设备与生成相同极性的电压的能量采集装置一起操作，则第一电容器或第二电容器依据极性与输出连接器连接(DC/DC转换)。
转换器设备设计简单且通用。由于第一充电电路和第二充电电路并联于彼此，第一充电电路和第二充电电路能够借助于相关电子开关按需容易地操作。相应的电子开关连接到输入连接器之一且相应的相关能量存储器连接到输入连接器中的另一个。优选地，能量存储器连接到第一输入连接器且电子开关连接到第二输入连接器。这实现转换器设备的对称设计。
第一能量存储器连接到第一输出连接器且第二能量存储器连接到第二输出连接器的转换器设备容易地允许输出电压的提供。为了操作移动电器，可再充电的流电能源存储器或可再充电的电池能够连接到输出连接器。可再充电的流电能源存储器能够具有与其并联的电负载，所述电负载能够借助于流电能源存储器和/或所提供的输出电压操作。移动电器例如是便携式电器和/或车辆中的电器。具体地，第一能量存储器附加地连接到第三输出连接器和/或第二能量存储器附加地连接到第四输出连接器。如果向输入连接器施加相同极性的电压，则可再充电的能量存储器能够在电压为正时连接到第一和第三输出连接器且能够在电压为负时连接到第二和第四输出连接器。可再充电的流电能源存储器再次能够具有与其并联的电负载。
输入连接器之一连接到参考节点的转换器设备确保简单的设计和操作。参考节点以合适的方式提供参考电势。优选地，连接到电子开关的输入连接器连接到参考节点。这允许电子开关的简单致动。
第一电子开关包括包含第一电子切换元件和第二电子切换元件的串联电路的转换器设备确保高级别的可靠性和效率。由于两个电子切换元件串联，由此引起的寄生电流和损失被避免。所述两个电子切换元件尤其具有背对背式构型。这避免由于寄生电流造成的损失和故障。寄生电流尤其由反向二极管(体二极管)引起。由于背对背式构型，反向二极管具有不同的反向方向。电子切换元件从包括场效应晶体管(N沟道或P沟道)和双极型晶体管(NPN或PNP)的组中选定。电子切换元件优选地配置为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，尤其配置为N沟道MOSFET。
与第一电子切换元件并联配置的第一反向二极管和与第二电子切换元件并联配置的第二反向二极管具有相反的反向方向的转换器设备确保高级别的可靠性和高级别的效率。电子切换元件具有背对背式构型，以使得寄生反向二极管具有相反的反向方向。因此，切换元件的构型确保当施加负电压时和当施加正电压时反向二极管中的至少一个被反向偏压。
第二电子开关包括包含第三电子切换元件和第四电子切换元件的串联电路的转换器设备确保高级别的可靠性和效率。由于两个电子切换元件串联，由此引起的寄生电流和损失被避免。两个电子切换元件尤其具有背对背式构型。这避免由于寄生电流造成的损失和故障。寄生电流尤其由反向二极管(体二极管)引起。由于背对背式构型，反向二极管具有不同的反向方向。电子切换元件从包括场效应晶体管(N沟道或P沟道)和双极型晶体管(NPN或PNP)的组中选定。电子切换元件优选配置为MOSFET，尤其配置为N沟道MOSFET。
与第三电子切换元件并联配置的第三反向二极管和与第四电子切换元件并联配置的第四反向二极管具有相反的反向方向的转换器设备确保高级别的可靠性和高级别的效率。电子切换元件具有背对背式构型，以使得寄生反向二极管具有相反的反向方向。因此，切换元件的构型确保当施加负电压时和当施加正电压时反向二极管中的至少一个被反向偏压。
第一电容器和第二电容器连接到输出连接器的相应之一的转换器设备确保为给流电能源存储器再充电简单且高效地提供输出电压。转换器设备因此操作为AC/DC转换器。
平滑电容器并联于输入连接器的转换器设备确保可靠和高效的操作。平滑电容器使向输入连接器施加的能量采集装置的电压中的电压尖峰平滑。平滑电容器还简化输入阻抗的确定。
在转换器设备中，控制装置包括在向输入连接器施加正电压时的第一切换顺序，其中，对于第一切换顺序而言：
Figure BDA0001499874430000041
Figure BDA0001499874430000051
其中，
Q1p和Q2p表示第一电子开关的两个串联的电子切换元件，
Q1n和Q2n表示第二电子开关的两个串联的电子切换元件，
Z1p和Z2p表示第一切换顺序的两个相继切换状态，且
0意味着断开且1意味着连通，
这种转换器设备确保在向输入连接器施加正电压时的简单、可靠且高效的操作。控制装置优选地包括极性检测单元，极性检测单元在向输入连接器施加正电压时检测且传递合适的极性信号到切换单元。切换单元依据第一切换顺序切换电子切换元件。占空比D优选地用于设定转换器的输入阻抗。占空比D表示第一切换状态Z1p的持续时间与切换状态Z1p和Z2p的总持续时间的比率，所述总持续时间即周期持续时间TS。
在转换器设备中，控制装置包括在向输入连接器施加负电压时的第二切换顺序，其中，对于第二切换顺序而言：
Z<sub>1n</sub> Z<sub>2n</sub>
Q<sub>1p</sub> 0 0
Q<sub>2p</sub> 0 0
Q<sub>1n</sub> 1 0
Q<sub>2n</sub> 1 0
其中
Q1p和Q2p表示第一电子开关的两个串联的电子切换元件，
Q1n和Q2n表示第二电子开关的两个串联的电子切换元件，
Z1n和Z2n表示第二切换顺序的两个相继切换状态，且
0意味着断开且1意味着连通，
这种转换器设备确保在向输入连接器施加负电压时的简单、可靠且高效的操作。控制装置优选地包括极性检测单元，极性检测单元在向输入连接器施加负电压时检测且传递合适的极性信号到切换单元。切换单元依据第二切换顺序切换电子切换元件。占空比D优选用于设定转换器的输入阻抗。占空比D表示第一切换状态Z1n的持续时间与切换状态Z1n和Z2n的总持续时间的比率，所述总持续时间即周期持续时间TS。
控制装置包括用于检测能量采集装置的正电压和负电压的极性检测单元的转换器设备独立于向输入连接器施加的能量采集装置的电压的极性确保简单和可靠的操作。由于极性检测单元，转换器设备自身检测是否向输入连接器施加唯独正电压或唯独负电压、或向输入连接器交替地施加正电压和负电压。极性检测单元提供合适的极性信号，以使得能够依据当前施加的电压简单且可靠地切换第一电子开关和第二电子开关。优选地，控制装置包括切换单元，切换单元用于依据在控制装置中实现的第一切换顺序和第二切换顺序而致动第一电子开关和第二电子开关。极性检测单元优选地包括用于测量向输入连接器施加的电压的电压测量传感器和过零检测器。极性信号尤其是数字信号。极性信号例如对于正电压等于1且对于负电压等于0。
在转换器设备中，控制装置包括用于设定输入阻抗的阻抗调节器，所述阻抗调节器基于确定的输入阻抗和设定点输入阻抗来改变电子开关的致动，这种转换器设备确保高级别的效率。控制装置具有在其中实施的控制环，用于转换器的输入阻抗。在输入连接器处确定输入阻抗。为此，控制装置包括用于测量向输入连接器施加的电压的电压测量传感器和用于测量从能量采集装置流到转换器的电流的电流测量传感器。借助于控制装置从测量的电压和测量的电流确定输入阻抗。从设定点输入阻抗和确定的输入阻抗确认被供应到阻抗调节器的控制误差或差值。阻抗调节器例如配置为PID控制器。阻抗调节器给切换单元提供被控变量。被控变量用于设定占空比D且因此转换器的输入阻抗。切换单元例如配置为数字脉宽调制器。输入阻抗优选地调节成使得输入阻抗是纯阻性的且因此测量的电压和测量的电流基本同相。设定点输入阻抗尤其在实验中以经验为主地确定。设定点输入阻抗例如是在能量采集期间实现高级别的效率、尤其最大效率的电阻值。
本发明基于的目的也是提供简单、可靠且高效的能量发生器，所述能量发生器从交变极性的电压提供能量且从相同极性的电压提供能量。
这个目的由具有根据本发明的转换器设备和能量采集装置的能量发生器实现，能量采集装置连接到输入连接器，用于提供电压。根据本发明的能量发生器的优点与已经描述的对于转换器设备的优点相对应。转换器设备能够借助于提供相同极性的电压的能量采集装置和借助于提供交变极性的电压的能量采集装置操作。据此，能量采集装置从包括例如压电晶体和热电发生器的组中选定。优选地，转换器设备的输出连接器具有连接到所述输出连接器的流电能源存储器。流电能源存储器配置成可再充电的。
根据本发明的转换器设备的用途、尤其根据本发明的能量发生器的转换器设备的用途以简单的方式允许高级别的灵活性和通用性。转换器设备能够首先利用用于提供相同极性的电压的能量采集装置来操作，以使得转换器设备操作为DC/DC转换器。其次，转换器设备能够利用用于提供交变极性的电压的能量采集装置来操作，以使得转换器设备操作为AC/DC转换器。转换器设备使自身自动定制到被连接的能量采集装置，以使得转换器设备的用途简单且灵活。
附图说明
通过下文对多个示例性实施方式的描述，本发明的其他特征、优点和细节将显现。
图1示出根据第一示例性实施方式的能量发生器的示意性描绘图，所述能量发生器具有转换器设备和连接到转换器设备的能量采集装置，所述能量采集装置用于提供交变极性的电压，
图2示出对于由能量采集装置提供的电压的时间特性和对于由控制装置生成以用于致动转换器设备的转换器的切换脉冲的时间特性，
图3示出当提供能量采集装置的正电压时的转换器设备的第一切换状态的示意性描绘图，
图4示出当提供能量采集装置的正电压时的转换器设备的第二切换状态的示意性描绘图，
图5示出当提供能量采集装置的负电压时的转换器设备的第一切换状态的示意性描绘图，
图6示出当提供能量采集装置的负电压时的转换器设备的第二切换状态的示意性描绘图，
图7示出根据第二示例性实施方式的当施加能量采集装置的唯独正电压以提供恒定极性的电压时的转换器设备的第一切换状态的示意性描绘图，
图8示出图7中的转换器设备的第二切换状态的示意性描绘图。
具体实施方式
接下来参考图1至6描述本发明的第一示例性实施方式。能量发生器1包括转换器设备2和能量采集装置3。转换器设备2包括转换器4和相关控制装置5。能量采集装置3连接到第一输入连接器6和第二输入连接器7。能量发生器1用于充电可再充电的流电能源存储器8。流电能源存储器8连接到转换器4的第一输出连接器9和第二输出连接器10。转换器4还具有第三输出连接器9’，第三输出连接器在第一示例性实施方式中未接上。
能量采集装置3提供具有交变极性(AC电压)的电压vh。随着时间t的电压vh借助于图2中的示例描绘。在下文中，电压vh的具有正极的部分由vhp表示且电压的具有负极的部分由vhn表示。
转换器4具有平滑电容器Cin以使电压vh平滑，所述平滑电容器并联于输入连接器6、7和能量发生装置3。平滑电容器Cin连接到节点K1和参考节点K0。参考节点K0定义参考电势。第一输入连接器6连接到节点K1且第二输入连接器7连接到参考节点K0。
转换器4包括用于在施加正电压vhp时给流电能源存储器8充电的第一充电电路11和用于在施加负电压vhn时给流电能源存储器8充电的第二充电电路12。充电电路11、12连接到节点K1和参考节点K0且与彼此并联。
第一充电电路11包括第一电子开关13和与第一电子开关串联的第一电能存储器14。第一电子开关13配置为包括第一电子切换元件Q1p和第二电子切换元件Q2p的串联电路。电子切换元件Q1p和Q2p均配置为常关型N沟道MOSFET。第一切换元件Q1p的源极连接器S1p连接到参考节点K0。第一切换元件Q1p的漏极连接器D1p连接到第二切换元件Q2p的漏极连接器D2p。第二切换元件Q2p的源极连接器S2p连接到第一充电电路11的节点K2p。
第一寄生反向二极管F1p与第一切换元件Q1p并联配置。第一反向二极管F1p相对于源极连接器S1p和漏极连接器D1p配置成使得在源极连接器S1p的方向上的电流流动被阻塞。据此，第二寄生反向二极管F2p与第二切换元件Q2p并联配置。第二反向二极管F2p相对于源极连接器S2p和漏极连接器D2p配置成使得在源极连接器S2p的方向上的电流流动被阻塞。因此，反向二极管F1p和F2p具有相反的反向方向。因此，所描述的切换元件Q1p和Q2p的背对背式构型确保当向第一电子开关13施加正电压时且当施加负电压时，反向二极管F1p和F2p中的至少一个被反向偏压。这避免寄生电流和产生的损失。
第一能量存储器14包括第一线圈Lp、第一电容器Cp和第一阻塞元件Dp。第一线圈Lp连接到节点K1和节点K2p。第一电容器Cp连接到节点K1和节点K3p。第一阻塞元件Dp设置在节点K2p和节点K3p之间，以使得在节点K2p的方向上的电流流动被阻塞。第一阻塞元件Dp配置为二极管。第一输出连接器9连接到节点K3p。第三输出连接器9‘连接到节点K1。
第二充电电路12包括第二电子开关15和与第二电子开关串联的第二电能存储器16。第二电子开关15配置为包括第三电子切换元件Q1n和第四电子切换元件Q2n的串联电路。电子切换元件Q1n和Q2n均配置为常关型N沟道MOSFET。第三切换元件Q1n的源极连接器S1n连接到参考节点K0。第三切换元件Q1n的漏极连接器D1n连接到第四切换元件Q2n的漏极连接器D2n。第四切换元件Q2n的源极连接器S2n连接到第二充电电路12的节点K2n。
第三寄生反向二极管F1n与第三切换元件Q1n并联配置。第三反向二极管F1n相对于源极连接器S1n和漏极连接器D1n配置成使得在源极连接器S1n的方向上的电流流动被阻塞。据此，第四寄生反向二极管F2n与第四切换元件Q2n并联配置。第四反向二极管F2n相对于源极连接器S2n和漏极连接器D2n配置成使得在源极连接器S2n的方向上的电流流动被阻塞。因此，反向二极管F1n和F2n具有相反的反向方向。因此，所描述的切换元件Q1n和Q2n的背对背式构型确保当向第二电子开关15施加正电压时且当施加负电压时，反向二极管F1n和F2n中的至少一个被反向偏压。这避免寄生电流和产生的损失。
第二能量存储器16包括第二线圈Ln、第二电容器Cn和第二阻塞元件Dn。第二线圈Ln连接到节点K1和节点K2n。第二电容器Cn连接到节点K1和节点K3n。第二阻塞元件Dn设置在节点K2n和节点K3n之间，以使得在节点K3n的方向上的电流流动被阻塞。第二阻塞元件Dn配置为二极管。第二输出连接器10连接到节点K3n。
控制装置5用于基于电压vh的极性、即基于正电压vhp和负电压vhn而致动第一电子开关13和第二电子开关15。控制装置5连接到参考电势。控制装置5配置成使得当施加正电压vhp时实现具有第一切换状态Z1p和后续第二切换状态Z2p的第一切换顺序。对于第一切换顺序而言：
Z<sub>1p</sub> Z<sub>2p</sub>
Q<sub>1p</sub> 1 0
Q<sub>2p</sub> 1 0
Q<sub>1n</sub> 0 0
Q<sub>2n</sub> 0 0
其中，0意味着断开且1意味着连通。在图3中示出切换状态Z1p且在图4中示出切换状态Z2p。
控制装置5还配置成使得在施加负电压vhn时实现具有第一切换状态Z1n和后续第二切换状态Z2n的第二切换顺序。对于第二切换顺序而言：
Z<sub>1n</sub> Z<sub>2n</sub>
Q<sub>1p</sub> 0 0
Q<sub>2p</sub> 0 0
Q<sub>1n</sub> 1 0
Q<sub>2n</sub> 1 0
其中，0意味着断开且1意味着连通。在图5中示出切换状态Z1n且在图6中示出切换状态Z2n。
第一切换顺序和第二切换顺序均延续一段周期持续时间TS。对于所述周期持续时间TS而言：TS＝1/fS，其中，fS表示控制装置5的恒定切换频率。相应的第一切换状态Z1p或Z1n具有持续时间D·TS且相应的相关第二切换状态Z2p或Z2n具有持续时间(1-D)·TS，其中，D表示占空比。
控制装置5包括用于测量电压vh的电压测量传感器17和用于测量电流ih的电流测量传感器18。电流ih在能量采集装置3和转换器4之间流动。
控制装置5包括极性检测单元19，给极性检测单元提供测量电压vh。极性检测单元19检测电压vh为正或为负。为此，极性检测单元19例如配置为过零检测单元(过零检测)。极性检测单元19提供合适的数字极性信号P。极性检测单元19因此检测正电压vhp和负电压vhn。极性信号P被供应到控制装置5的切换单元20。切换单元20生成控制电压g1p、g2p、g1n和g2n以致动切换元件Q1p、Q2p、Q1n和Q2n。控制电压g1p、g2p、g1n和g2n被施加到切换元件Q1p、Q2p、Q1n和Q2n的栅极连接器G1p、G2p、G1n和G2n。
控制装置5包括将测量电压vh转换成数字电压vh‘的第一模数转换器21。此外，控制装置5具有将测量的电流ih转换成数字电流ih’的第二模数转换器22。
为了计算输入阻抗，控制装置5具有从数字电压vh‘和数字电流ih'确定输入阻抗Z’的阻抗确定单元23。输入阻抗Z‘是用于转换器4和连接到转换器的流电能源存储器8的输入阻抗Z的计算值或估计值，所述输入阻抗Z‘从输入连接器6、7的角度获得。控制装置5包括从设定点输入阻抗Zref和确定的输入阻抗Z‘形成差值Zref-Z’的减法器24。所述差值被供应到阻抗调节器25，阻抗调节器的输出提供设定点占空比Dref。阻抗调节器例如配置为PID控制器。设定点占空比Dref被供应到切换单元20，切换单元基于极性信号P和设定点占空比Dref生成控制电压g1p、g2p、g1n和g2n。为此，切换单元20例如配置为数字脉宽调制器。
切换单元20、阻抗检测单元23、减法器24和阻抗调节器25形成控制单元26，控制单元是阻抗控制环的一部分。阻抗控制环用于设定输入阻抗Z以使得输入阻抗变成纯阻性的且电压vh和电流ih基本同相。输入阻抗Z借助于占空比D设定。在不连续导通模式下，对于输入阻抗而言：
Figure BDA0001499874430000111
其中，L＝Lp或L＝Ln。例如在实验中以经验为主地确定设定点输入阻抗Zref。设定点输入阻抗Zref尤其是在能量发生期间实现高级别的效率、优选最大效率的电阻值。
能量发生器1的操作如下：
能量采集装置3生成电压vh和电流ih。借助于测量的电压vh，极性检测单元19检测正电压vhp或负电压vhn是否被施加到输入连接器6、7且提供合适的极性信号P。例如，极性信号P在施加正电压vhp的情况下是1且在施加负电压vhn的情况下是0。
当施加正电压vhp时，控制装置5实现第一切换顺序。首先，在第一切换状态Z1p下接通切换元件Q1p和Q2p，以使得电流ih流过第一线圈Lp。第一阻塞元件Dp防止电流ih流经第一电容器Cp。在第一切换状态Z1p下，切换元件Q1n和Q2n断开。这在图3中示出。
在后续第二切换状态Z2p下，第一线圈Lp经由第一阻塞元件Dp驱动电流ip，以使得第一电容器Cp被充电。第一电容器Cp具有向其施加的电压vcp。由于电压vcp，给流电能源存储器8充电的电流ib流动。在第二切换状态Z2p下，切换元件Q1n和Q2n仍断开。这在图4中示出。
当施加负电压vhn时，控制装置5实现第二切换顺序。首先，在第一切换状态Z1n下接通切换元件Q1n和Q2n，以使得电流ih流过第二线圈Ln。第二阻塞元件Dn防止电流ih流经第二电容器Cn。在第一切换状态Z1n下，切换元件Q1p和Q2p断开。这在图5中示出。
在后续第二切换状态Z2n下，第二线圈Ln经由第二阻塞元件Dn驱动电流in，以使得第二电容器Cn被充电。第二电容器Cn具有向其施加的电压vcn。由于电压vcn，给流电能源存储器8充电的电流ib流动。在第二切换状态Z2n下，切换元件Q1p和Q2p仍断开。这在图6中示出。
电压vcp和vcn用于将提供电压Eb的流电能源存储器8充电。
在第一切换顺序和第二切换顺序中，调节输入阻抗Z。为此，输入阻抗Z’借助于阻抗检测单元23从数字电压vh‘和数字电流ih'计算。减法器24从设定点输入阻抗Zref和确定的输入阻抗Z‘生成差值。这个差值被供应到阻抗调节器25，阻抗调节器给切换单元20提供设定点占空比Dref作为被控变量。切换单元20设定切换信号的定时或控制电压g1p、g2p、g1n和g2n以使得相应第一切换状态Z1p或Z1n基于周期持续时间Ts被设定用于持续时间0<T≤D·TS，且相应的第二切换状态Z2p或Z2n被设定用于持续时间D·TS<T<(1-D)·TS。
接下来参考图7和8描述本发明的第二示例性实施方式。与第一示例性实施方式相反，能量发生器1具有提供唯独正电压vhp的能量采集装置3。流电能源存储器8连接到转换器4的第一输出连接器9和第三输出连接器9‘。第二输出连接器10在第二示例性实施方式中未接上。控制装置5唯独实现第一切换顺序。第一切换状态Z1p在图7中示出且第二切换状态Z2p在图8中示出。对于进一步的设计和进一步的操作方式，参考在先示例性实施方式的描述。
根据本发明的转换器设备2能够与能量采集装置3选择性一起操作，所述能量采集装置提供交变极性的电压vh、或唯独正电压vhp或唯独负电压vhn。如果能量采集装置3提供交变极性的电压vh，则转换器设备2操作为AC/DC转换器。这在图1至6中示出。另一方面，如果能量采集装置3提供唯独正电压vhp或唯独负电压vhn，则转换器设备2操作为DC/DC转换器。对于正电压vhp，这在图7和8中示出。对于负电压vhn，转换器设备2依据图5和6操作。
根据本发明的转换器设备2基于升压型转换器。转换器设备2能够以DC电压或以AC电压操作。转换器设备2适用于电池操作的器具，所述器具借助于能量采集装置3采集少量的电力。为了优化能量采集，转换器设备2允许输入阻抗Z被设定成使得输入阻抗是纯阻性的。AC/DC转换在没有使用桥式整流器的阶段下起作用。这避免压降和能量损失，以使得转换器设备2也适用于能量采集装置3的非常低的电压vh。转换器4每相具有两个电子切换元件Q1p、Q2p和Q1n、Q2n，以使得AC电压直接转换成DC电压是可行的且需要仅一个相位用于将DC电压转换成DC电压。为了设定输入阻抗Z，转换器设备2在不连续导通模式下操作，以使得转换器4对能量采集装置3表现为纯非抗电性的电阻(purely nonreactive resistance)。平滑电容器Cin简化输入阻抗Z的确定。
由于源极连接器S1p和S1n具有相同参考电势，相应简单的低端栅极驱动器能够用于切换元件Q1p和Q1n。对于切换元件Q2p和Q2n，使用相应的浮栅驱动器。电压测量、电流测量和极性检测是简单的，因为电压测量传感器17、电流测量传感器18和极性检测单元19使用相同的参考电势。转换器设备2能够与允许例如3.7V、7.4V或12V的电压的流电能源存储器8一起操作。因此，转换器设备2能够用于便携式电器和用于车辆。

Claims (13)

1.一种用于能量采集的转换器设备，包括
-转换器(4)，其具有
--第一输入连接器(6)和第二输入连接器(7)，用于连接到能量采集装置(3)，
-第一输出连接器(9)和第二输出连接器(10)，用于连接到流电能源存储器(8)，
--第一充电电路(11)，用于以向输入连接器(6，7)施加的能量采集装置(3)的正电压(vhp)给流电能源存储器(8)充电，第一充电电路具有
---第一电子开关(13)，其中第一电子开关(13)包括包含第一电子切换元件(Q1p)和第二电子切换元件(Q2p)的串联电路，和
---与第一电子开关(13)串联的第一能量存储器(14)，其中，第一能量存储器(14)包括第一线圈(Lp)、第一电容器(Cp)和第一阻塞元件(Dp)，
--第二充电电路(12)，用于以向输入连接器(6，7)施加的能量采集装置(3)的负电压(vhn)给流电能源存储器(8)充电，第二充电电路具有
---第二电子开关(15)，其中第二电子开关(15)包括包含第三电子切换元件(Q1n)和第四电子切换元件(Q2n)的串联电路，和
---与第二电子开关(15)串联的第二能量存储器(16)，其中，第二能量存储器(16)包括第二线圈(Ln)、第二电容器(Cn)和第二阻塞元件(Dn)，
-控制装置(5)，用于基于向输入连接器(6，7)施加的能量采集装置(3)的电压(vh)的极性而致动第一电子开关(13)和第二电子开关(15)，且
其中，第一充电电路(11)和第二充电电路(12)并联于彼此，
其中，所述第一电容器(Cp)连接第一输出连接器(9)，和所述第二电容器(Cn)连接第二输出连接器(10)。
2.根据权利要求1所述的转换器设备，其特征在于，第一能量存储器(14)连接到第一输出连接器(9)且第二能量存储器(16)连接到第二输出连接器(10)。
3.根据权利要求1所述的转换器设备，其特征在于，第二输入连接器(7)连接到参考节点(K0)。
4.根据权利要求1所述的转换器设备，其特征在于，与第一电子切换元件(Q1p)并联配置的第一反向二极管(F1p)和与第二电子切换元件(Q2p)并联配置的第二反向二极管(F2p)具有相反的反向方向。
5.根据权利要求1所述的转换器设备，其特征在于，与第三电子切换元件(Q1n)并联配置的第三反向二极管(F1n)和与第四电子切换元件(Q2n)并联配置的第四反向二极管(F2n)具有相反的反向方向。
6.根据权利要求1所述的转换器设备，其特征在于，第一电容器(Cp)和第二电容器(Cn)连接到输出连接器(9，10)的相应之一。
7.根据权利要求1所述的转换器设备，其特征在于，平滑电容器(Cin)并联于输入连接器(6，7)。
8.根据权利要求1所述的转换器设备，其特征在于，控制装置(5)包括在向输入连接器(6，7)施加正电压(vhp)时的第一切换顺序，其中，对于第一切换顺序而言：
Z<sub>1p</sub> Z<sub>2p</sub> Q<sub>1p</sub> 1 0 Q<sub>2p</sub> 1 0 Q<sub>1n</sub> 0 0 Q<sub>2n</sub> 0 0
其中，
Q1p和Q2p表示第一电子开关(13)的两个串联的电子切换元件，
Q1n和Q2n表示第二电子开关(15)的两个串联的电子切换元件，
Z1p和Z2p表示第一切换顺序的两个相继切换状态，且
0意味着断开且1意味着连通。
9.根据权利要求1所述的转换器设备，其特征在于，控制装置(5)包括在向输入连接器(6，7)施加负电压(vhn)时的第二切换顺序，其中，对于第二切换顺序而言：
Z<sub>1n</sub> Z<sub>2n</sub> Q<sub>1p</sub> 0 0 Q<sub>2p</sub> 0 0 Q<sub>1n</sub> 1 0 Q<sub>2n</sub> 1 0
其中
Q1p和Q2p表示第一电子开关(13)的两个串联的电子切换元件，
Q1n和Q2n表示第二电子开关(15)的两个串联的电子切换元件，
Z1n和Z2n表示第二切换顺序的两个相继切换状态，且
0意味着断开且1意味着连通。
10.根据权利要求1所述的转换器设备，其特征在于，控制装置(5)包括用于检测能量采集装置(3)的正电压(vhp)和负电压(vhn)的极性检测单元(19)。
11.根据权利要求1所述的转换器设备，其特征在于，控制装置(5)包括用于设定输入阻抗(Z)的阻抗调节器(25)，所述阻抗调节器基于确定的输入阻抗(Z‘)和设定点输入阻抗(Zref)来改变电子开关(13，15)的致动。
12.一种能量发生器，其具有
用于能量采集的转换器设备(2)，其包括
-转换器(4)，其具有
--第一输入连接器(6)和第二输入连接器(7)，用于连接到能量采集装置(3)，
--第一输出连接器(9)和第二输出连接器(10)，用于连接到流电能源存储器(8)，
--第一充电电路(11)，用于以向输入连接器(6，7)施加的能量采集装置(3)的正电压(vhp)给流电能源存储器(8)充电，第一充电电路具有
---第一电子开关(13)，其中第一电子开关(13)包括包含第一电子切换元件(Q1p)和第二电子切换元件(Q2p)的串联电路，和
---与第一电子开关(13)串联的第一能量存储器(14)，其中，第一能量存储器(14)包括第一线圈(Lp)、第一电容器(Cp)和第一阻塞元件(Dp)，
--第二充电电路(12)，用于以向输入连接器(6，7)施加的能量采集装置(3)的负电压(vhn)给流电能源存储器(8)充电，第二充电电路具有
---第二电子开关(15)，其中第二电子开关(15)包括包含第三电子切换元件(Q1n)和第四电子切换元件(Q2n)的串联电路，和
---与第二电子开关(15)串联的第二能量存储器(16)，其中，第二能量存储器(16)包括第二线圈(Ln)、第二电容器(Cn)和第二阻塞元件(Dn)，
-控制装置(5)，用于基于向输入连接器(6，7)施加的能量采集装置(3)的电压(vh)的极性而致动第一电子开关(13)和第二电子开关(15)，且
其中，第一充电电路(11)和第二充电电路(12)并联于彼此，
和连接到输入连接器(6，7)的能量采集装置(3)，用于提供电压(Vh)。
13.一种使用转换器设备(2)进行能量采集的方法，所述转换器设备包括
-转换器(4)，其具有
--第一输入连接器(6)和第二输入连接器(7)，用于连接到能量采集装置(3)，
--第一输出连接器(9)和第二输出连接器(10)，用于连接到流电能源存储器(8)，
--第一充电电路(11)，用于以向输入连接器(6，7)施加的能量采集装置(3)的正电压(vhp)给流电能源存储器(8)充电，第一充电电路具有
---第一电子开关(13)，其中第一电子开关(13)包括包含第一电子切换元件(Q1p)和第二电子切换元件(Q2p)的串联电路，和
---与第一电子开关(13)串联的第一能量存储器(14)，其中，第一能量存储器(14)包括第一线圈(Lp)、第一电容器(Cp)和第一阻塞元件(Dp)，
--第二充电电路(12)，用于以向输入连接器(6，7)施加的能量采集装置(3)的负电压(vhn)给流电能源存储器(8)充电，第二充电电路具有
---第二电子开关(15)，其中第二电子开关(15)包括包含第三电子切换元件(Q1n)和第四电子切换元件(Q2n)的串联电路，和
---与第二电子开关(15)串联的第二能量存储器(16)，其中，第二能量存储器(16)包括第二线圈(Ln)、第二电容器(Cn)和第二阻塞元件(Dn)，
-控制装置(5)，用于基于向输入连接器(6，7)施加的能量采集装置(3)的电压(vh)的极性而致动第一电子开关(13)和第二电子开关(15)，且
其中，第一充电电路(11)和第二充电电路(12)并联于彼此，
所述转换器设备选择性与用于提供相同极性的电压(vhp，vhn)和交变极性的电压(vh)之一的能量采集装置(3)一起。
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