CN112740528A - 用于与电气驱动系统结合的即插即用储能装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种储能装置，其包括用于连接到驱动系统的电力电子器件的电压电路的电源端子、至少一个储能块、至少一个用于将驱动系统的电力电子器件的电压电路连接到储能块的内部电压电路的功率变换器以及用于控制至少一个功率变换器的控制装置，该驱动系统可由外部系统控制器控制，其中，控制装置包括控制器板，控制器板具有输出和/或输入控制构件及电压调节和/或控制构件，输出和/或输入控制构件用于控制功率变换器以将电流从储能块输出和/或输入到储能块，电压调节和/或控制构件用于调节和/或控制储能装置的输出电压。根据本发明，控制装置具有连接到控制器板的适配板，适配板包括多个用于不同地设计的外部系统控制器的连接端子、至少一个用于与控制装置的控制器板通信的通信接口及至少一个用于在适配板的连接端子和控制器板之间适配和传输信号的适配电路。

Description

用于与电气驱动系统结合的即插即用储能装置
技术领域
本发明涉及一种储能装置，其具有电源端子、至少一个储能块、至 少一个功率变换器以及用于控制至少一个功率变换器的控制装置，电源 端子用于与驱动系统的电力电子器件的电压电路连接，驱动系统可以由 外部系统控制器控制，功率变换器用于将驱动系统的电力电子器件的电 压电路连接到储能块的内部电压电路，其中，控制装置包括控制器板， 控制器板具有输出和/或输入控制构件以及电压调节和/或控制构件，输出 和/或输入控制构件用于控制功率变换器以将电流从储能块输出到驱动 系统和/或将电流从驱动系统输入到储能块，电压调节和/或控制构件用于 调节和/或控制储能装置的输出电压。
本发明还涉及一种具有与这种储能装置连接的电力电子器件的驱动 系统，储能装置的控制装置与驱动系统的上级系统控制器通信。例如， 这种电气驱动系统可以应用在升降装置中，特别是在诸如载人和/或货物 升降机等升降机中，但也可以在诸如集装箱桥式起重机等起重机中，或 在诸如混凝土搅拌车等工程机械中、诸如表面铣刀等运土和采矿机械中 使用，但原则上也可以应用于其它移动机械或联网的机械中。特别地， 这种驱动系统可以是在诸如高层建筑等建筑物中或其上使用的载人和/ 或货物升降机，或是周期性地提升和降低负载的其它升降装置。
背景技术
为了节省能量，越来越多的先前以机械或液压的方式操作的驱动器 被电气化，以便能够利用更高效率的电动机。特别在周期性重复的加速 和制动阶段或者上坡和下坡行驶的应用中，有用的是，将储能装置集成 到驱动系统中或与其连接，以便在加速或上坡阶段中提供能量，并在制 动或下坡阶段中往回馈送释放的能量并将其存储在至少一个储能块中， 为此，电容器(特别是双层电容器)或者其它电池系统或蓄电池是合适的。 取决于驱动系统，有时必须提供和临时存储的大量能量，以致于常规的 储能装置快速达到其极限，或者需要智能控制才能满足要求。
为了使由至少一个储能块提供的电压或输出的电流适配于相应的驱 动系统及其电压需求和/或电流需求，并且/或者相反地，为了使由驱动系 统反馈的电流适配于储能块的内部电压电路的条件，储能装置可以包括 至少一个功率变换器模块，以便以所需的方式针对诸如电压和/或频率等 特征参数调整所提供或输入的电流。
例如，如果将双层电容器用作储能器，则需要所谓的DC/DC变换器 或DC/DC转换器，因为双层电容器上的电压根据填充物位而变化。所述 的DC/DC转换器将双层电容器储能模块连接到驱动元件或通常与其连 接的变频器，并确保能量交换。这种DC/DC转换器或DC/DC变换器表 示能够将提供给输入端的直流电压转换为具有更高、更低或反相的电压电平的直流电压的电路，并且其能够将能量从高电压等级转移到低电压 等级(例如，给储能块充电)，并且还可以在其它方向上转移能量，即，取 回能量或将其从储能块转移到驱动系统的直流电路。
取决于储能块和驱动系统，还可以使用其它功率变换器，例如整流 器、逆变器、变频器或通用变流器，其中，这些功率变换器可以包括电 子部件，例如二极管、晶体管或晶闸管以及MOSFET、IGBT或IGCT。
然而，这种储能装置，特别是带有双层电容器的储能装置与相应的 驱动系统的连接或多或少是复杂的，因为这种储能装置的各个部件通常 必须费力地配置在一起并且必须适配于驱动系统(例如，其电动马达和电 力电子器件)的框架条件。在这种情况下，用户或应用工程师通常被迫处 理储能器和DC/DC变换器中的复杂内部过程，以便能够针对模块和内部 功能进行必要的设计。此外，还存在包括大电流线路、总线电缆和PLC 信号的电缆铺设，其复杂程度取决于驱动器和所使用的装置。同时，在 上述的所使用的装置的情况下，必须注意的是，储能装置必须承受恶劣 的工作条件，例如灰尘负荷、冲击负荷和振动负荷。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种改进的上述类型的储能装置以及具 有这种储能装置的改进的驱动系统，其避免了现有技术的缺点并以有利 的方式进一步发展了现有技术。特别地，应明显简化储能装置到相应的 驱动系统的连接，并且在此应高效地且安全地设计在储能器中的电能的 暂时存储以及从储能器中再次输出电能。
根据本发明，所述目的通过根据权利要求1的储能装置和根据权利 要求18的具有这种储能装置的驱动系统来实现。本发明的主题还在于根 据权利要求21的这种驱动系统在升降装置中的用途。
因此，提出了将储能装置的电气部件组合成即插即用模块，该即插 即用模块可以由用户按照黑匣子的方式一方面通过电源端子简单地连接 到驱动系统的电力电子器件或电压电路，另一方面可以通过其集成的控 制装置连接到各种驱动系统的上级控制装置，并且可以交换相应上级控 制装置所需的参数和信号，该集成的控制装置控制至少一个用于储能装 置的输出和/或输入和/或输出电压的功率变换器。根据本发明，所述控制 装置具有连接到控制器板的适配板。该适配板包括多个用于不同地设计 的外部系统控制器的连接端子、至少一个用于与控制装置的控制器板进 行通信的通信接口以及至少一个用于在适配板的连接端子和控制器板之 间适配和传输信号的适配电路。集成到储能装置中的控制装置可以通过 适配板的多个不同地设计的连接端子以简单的方式连接到不同地设计的外部系统控制器。
取决于外部系统控制器的设计方式，可以通过适配板的各个适当的 连接端子接收、传输或提供外部系统控制器需要或提供的信号、数据格 式和/或参数。为了使外部系统控制器也可以使用由控制器板提供的信 号、数据和/或参数，或者相反地，控制器板可以使用由外部系统控制器 提供的信号、数据、指令或参数，适配板的至少一个适配电路根据所述 信号、数据、指令和/或参数的格式和/或电压电平和/或根据它们到适配 板的各个连接端子和/或通信接口的传输路径来适配所述信号、数据、指 令和/或参数，从而使控制器板可以与不同地设计的上级外部系统控制器 进行通信。
有利地，适配板可以包括多个适配电路，这些适配电路中的相应的 匹配电路可以分别适配来自/去往相应的外部系统控制器的所需的信号、 数据和/或参数。
在本发明的改进示例中，所述适配板还可以包括多个传感器端子， 以用于与控制面板和/或内部控制装置所需的各种传感器的连接。特别 地，适配板可以通过所述传感器端子连接到储能装置内部的传感器，通 过该储能装置内部的传感器可以监测储能装置，特别是监测其储能块并 且/或者监测功率变换器和/或内部电压电路上的至少一种操作状态。替代 地或补充地，适配板可以通过所述传感器端子连接到外部传感器，该外 部传感器监测待连接的驱动系统或其电力电子器件的至少一种操作状 态。
例如，用于监测冷却装置的冷却装置传感器和/或用于监测待连接的 驱动系统的电压电路中和/或储能块的内部电压电路中的电流和/或电压 的电流和/或电压传感器和/或用于监测多个储能块的对称性的对称度传 感器可以连接到适配板的传感器端子，该冷却装置传感器例如为冷却剂 流速和/或质量传感器和/或温度传感器。
例如，适配板的所述至少一个适配电路可以由一个或多个电子模块 (例如，半导体模块)形式的硬件部件组成，但替代地或补充地，其还包括 可以存储在储能器模块中并在处理器中处理的一个或多个软件模块。
特别地，适配板还可以包括多个这种硬件电路和/或软件模块。
借助于所述的适配板，可以使用适配于储能块及其电路的控制器板， 并且仍然可以将其适配于各种上级系统控制器，并因此可以一起使用。 所述适配板可以经由一个或多个插头端子可拆卸地连接到所述控制器 板。然而，替代地或补充地，适配板也可以固定地连接到控制器板。
有利地，所述控制器板可以包括至少一个微控制器(μC)、至少一个 FPGA模块(即，现场可编程门阵列)以及用于接触的硬件电路和插接连接 器，并且/或者所述控制器板由所述模块组成。在此，控制器板的所述硬 件电路可以包括电子器件，例如半导体器件、晶体管、二极管或其它有 源或无源器件，其中，也可以在控制器板上设置集成电路。然而，作为所述硬件电路的替代或补充，控制器板还可包括至少一个软件模块，该 软件模块存储在储能器模块中并与微控制器交互或由其处理。
在本发明的改进示例中，集成在储能装置中的控制装置还可以包括 通信板，以用于实现控制装置的现场总线通信，特别是与储能装置的信 号发射和/或信号处理模块(例如，传感器)进行通信，并且/或者与待连接 的驱动装置和/或外部系统控制器的信号发射和/或信号处理模块(例如， 内置在驱动装置中的传感器)进行通信。
有利地，所述通信板可以包括插接连接器并插接在控制器板上。
有利地，在所述控制器板上可以实现和/或预先创建大量的控制功 能，这些控制功能使得控制装置能够针对大量不同的驱动装置和不同的 外部控制系统控制储能装置，并且根据驱动装置和/或外部系统控制器需 要的控制功能执行相应的控制功能。
特别地，储能装置的控制装置可以包括用于控制至少一个储能块的 操作的控制构件，其中，用于操作储能器的所述状态控制构件可以有利 地被配置为执行内部中间电路的自动预充电和/或与驱动系统的外部中 间电路的自动连接和/或自动断开和/或至优选为可参数化的初始电压的 自动预充电。
替代地或补充地，集成的控制器可以包括用于检测各种传感器的检 测构件，例如至少一个电压传感器和/或至少一个电流传感器和/或至少一 个温度传感器或至少一个流量传感器，通过这些传感器可以测量储能装 置和/或驱动系统的相应的操作参数。
替代地或补充地，储能装置的控制装置可以包括功率控制构件，以 用于生成用于驱动系统的电力电子器件的控制信号。
替代地或补充地，控制装置可以包括用于调节储能块中的电流的调 节器。
替代地或补充地，集成的控制装置可以包括用于设定或控制储能装 置的不同操作模式的操作控制构件，其中，所述操作控制构件特别可以 包括用于调节中间电路电压的调节器和/或用于通过额定值窗口调节中 间电路电压的调节器和/或用于调节中间电路电流的调节器和/或用于调 节功率的调节器和/或用于调节充电状态的调节器和/或用于使储能块主 动放电的控制构件。
替代地或补充地，集成的控制装置可以包括用于电力电子器件的自 测试的自测试模块。
替代地或补充地，集成的控制装置可以包括至少一个限制器模块， 该限制器模块被设置和设计为用于，在达到储能器电压限值时和/或在达 到储能器电流限值时和/或在达到中间电路电流限值时和/或在达到中间 功率限值时和/或在达到温度限值时，限制或改变储能装置和/或驱动装置 的至少一个特征操纵变量，例如限制或减小输出或输入的电流和/或电压 电平。
有利地，这种限制器模块可以被设计为可参数化的，以便能够可调 节地预先确定相应的电压限值和/或电流限值和/或功率限值和/或温度限 值。
替代地或补充地，储能装置的所述控制装置可以包括至少一个监测 模块，所述监测模块被设计成用于监测储能装置中的过载电流和/或中间 电路中的过载电压和/或储能装置中的电压和/或至少一个储能块中的电 压，以及/或者例如在冷却装置的冷却液中和/或在至少一个储能块中和/ 或在储能装置内部空间中和/或在至少一个阻流圈处的温度过高，以及/ 或者至少一个继电器的状态和/或冷却装置例如关于冷却剂流量和/或冷 却单元的状态，以及/或者电力电子器件和/或储能器状态和/或储能块的 平衡功能。替代地或补充地，监测构件也可以设置成用于监测储能装置 和/或至少一个储能块的剩余寿命，其中，这种监测构件能够计算和/或估 算所述剩余寿命。
替代地或补充地，上述的通信板和/或适配板可以包括用于与外部系 统控制器进行现场总线通信的现场总线通信模块，其中，该现场总线通 信模块例如可以被设置成用于规定操作模式，和/或规定驱动装置的启动 或停止，和/或为相应的操作模式规定额定值，和/或在操作期间规定可更 改的限值，和/或为调节和/或操作模式规定预控制值，和/或读出储能器 的当前状态，和/或读出并提供当前的操作数据。
替代地或补充地，储能装置的所述控制装置可以包括用于确定和/或 存储统计数据的统计模块，例如储能器温度的时间分布，和/或功率的时 间分布，和/或储能装置中的电流的时间分布，和/或储能装置中的电压的 时间分布。
替代地或补充地，控制装置可以包括用于以主/从模式操作多个储能 块的主/从控制装置，其中，这种主/从控制装置可以有利地包括可实现多 个储能单元之间的优选地经由CAN-BUS进行通信的通信构件，和/或用 于同步并联连接的多个储能单元的电压的同步构件，和/或用于在并联连 接的储能单元之间平均分配电流的分配控制构件。
替代地或补充地，所述控制装置可以包括操作数据传输构件，该操 作数据传输构件用于将至少一个储能装置的操作数据传输到中央服务器 和/或云端。
在本发明的有利改进示例中，储能装置的内部控制装置(特别是至少 一个上述控制构件)可以被设计为可参数化的，以便能够通过相应地规定 参数来改变上述功能。有利地，参数化模块可以经由USB接口和/或 Profinet接口与外部或内部的参数化装置(例如，PC程序OPAL)通信，以 便执行期望的参数化。
有利地，通过上述的参数化模块可以对以下功能中的至少一项进行 参数化或适配：
-至少一个通信参数；
-电力电子器件的至少一个参数，例如最大电流、最小和/或最大电 压、至少一个传感器、至少一个开关时间和/或至少一个开关频率；
-至少一种操作模式，例如，经由现场总线的控制模式，和/或主/ 从模式，和/或错误响应模式；
-至少一种监测功能，例如冷却装置和/或平衡功能和/或电压的极限 值的规定，和/或储能装置和/或驱动装置的电流和功率的至少一个极限值 的规定；
-储能装置的额定数据，例如额定容量和/或额定电流和/或电感；
-至少一个调节器的设定。
在此原则上，所述储能装置可以是不同的，例如包括蓄电池和/或电 容器。特别有利地，上述控制装置可用于具有双极设计的储能单元。
在本发明的改进示例中，储能装置可以包括双向DC/DC变换器，以 便既能为储能块充电又能从储能块提供电流，其中，储能装置的控制单 元具有输出和输入控制构件，以用于在将电流从储能块输出到直流电压 电路时以及在将电流从直流电压电路输入到储能块中时控制DC/DC变 换器，并且所述DC/DC变换器、储能块和控制单元组合成具有共同壳体的储能单元，在该壳体中容纳有DC/DC变换器、储能块和控制单元，并 在该壳体的外侧设置有用于连接直流电压电路的两个端子。因此，输入 电流到储能块中/从存储块中输出电流都是通过DC/DC变换器进行的， 该DC/DC变换器控制电流输出和输入，因此可以简单地连接到驱动系统 的直流电压电路。在此，储能装置形成一体的整体系统，该整体系统将 参与的和需要的部件组合在单个壳体中，在该壳体中还内置有用于能量 管理的控制器。基本上，只有存在于壳体外侧的两个端子必须连接到驱 动系统的直流电压电路，其中，储能装置的壳体内部的控制单元使必要 的控制变量和调节变量适配于驱动系统。
特别地，储能装置的储能块可以包括至少一个电容器(优选为双层电 容器的形式)以用于能量存储，然而其中，作为一个或多个这种电容器的 补充或替代，原则上还可以设置有至少一个电池或蓄电池。
为了避免储能装置的热问题，在公共壳体内的至少一个储能块和/或 DC/DC变换器和/或控制单元可以连接到冷却回路，该冷却回路可以优选 在壳体上具有冷却剂端子以连接到外部冷却回路，以便能够将进入冷却 剂的热量从壳体的储能块和/或DC/DC变换器和/或控制单元中导出，并 能够将其输出到外部。为了能够简单安装，所述冷却剂端子可以被设计 为可插接的，从而仅外部冷却回路的冷却剂管线必须连接到储能装置的 壳体。
有利地，内部和/或外部的冷却回路及其部件(例如冷却剂循环泵、冷 却空气风机、切换阀、流量调节器等)可以通过储能装置内的控制单元根 据温度进行控制，特别是根据储能装置的壳体内的部件温度和/或环境温 度进行控制。为此，可以设置至少一个温度传感器并将其连接到控制单 元，该温度传感器测量所述部件温度和/或环境温度和/或壳体内部空间温 度。替代地或附加地，控制单元可以连接到流量计，以便能够调节冷却 介质的流量。
为了不仅能够简单地将冷却剂管线插入壳体，储能装置在壳体外部 的电气端子和/或信号端子也可以被设计为可插接的或设计成插头，从而 仅需要插入相应的电源线或信号线。
为了允许储能装置的简单处理和简单运输，可以将内部集成有模块 部件的壳体设计成可分开的，并包括多个可组装成公共壳体的壳体部分， 在该公共壳体中至少集成有DC/DC变换器、储能块和控制单元。在组装 壳体部分时可通过可拆卸的连接构件(特别是，插头触头)彼此连接的不同 的电气部件可以容纳在不同的壳体部分中。例如，可以将插头连接件附 接到壳体部件的接口或其他位置，使得在组装或接合两个壳体部分时， 插头连接也会自动关闭或接合，以便将两个壳体部分中容纳的电气部件 彼此连接。
为了确保安全、无风险地使用储能单元，在本发明的改进示例中， 可以设置警告信号装置，以用于在储能单元仍被充电并且在外部连接触 点上仍被施加电压并因此存在可能的潜在风险时输出警告信号。警告信 号装置可以例如被设计为可视的并提供从外部可见的警告信号，但在必 要时，该装置也可以声学地或以其它方式工作。
作为这种警告信号装置的替代或补充，还可以有利地设置电断路开 关，以用于断开储能块和/或用于断电壳体上的端子，其中，所述断路开 关在储能单元的壳体内或内部可以被设计为断开电路。借助于这种电断 路开关，可以使从储能系统引出的端子处于无电压状态，从而显著降低 了潜在风险。
替代地或附加地，储能装置还可以包括优选为集成的放电电路，该 放电电路可以有利地从外部操作或者根据来自外部的指令将仍包含在储 能块中的能量转换成热量。因此，例如当储能装置应与驱动系统断开连 接时，可以通过控制信号使储能块放电，该控制信号可以从外部发送到 储能单元。
有利地，可以将壳体设计为足够高的IP安全等级，以使储能系统能 够在户外使用。有利地，储能装置被机械地设计为使得其还能够在较高 的振动负载下使用，例如在移动的工作机械(例如工程机械和起重机)中出 现的振动负载，这例如通过相应坚固的壳体设计和/或电气部件在壳体中 的阻尼嵌入和/或电气部件本身的适当设计来实现。
附图说明
下面将参考优选的示例性实施例和相关附图更详细地说明本发明。
图1示出了具有根据本发明的有利实施例的能够可变地配置的控制 装置的储能装置的示意图。
图2示出了图1的储能装置的控制装置的示意图，其中示出了控制 器板、插入到控制器板上的通信板以及与控制器板连接的控制装置的适 配板。
图3示出了并联连接且在主/从操作模式下可由图2所示的控制装置 控制的多个储能单元的示意图。
图4示出了两个储能单元的示意图，所有储能单元集成在公共壳体 中，并分别包括储能块、控制装置和DC/DC变换器，它们彼此并联连接 地布置，并且包括彼此同级通信以及与上级控制器通信的控制装置。
图5示出了两个彼此并联连接地布置的储能单元的示意图，但不同 于根据图4的实施例，控制装置用作主单元和从单元。
图6示出了具有市电电源和通过变频器控制的电动马达的驱动系统 的示意图，其中该变频器由直流电压中间电路供电，图1至图5的储能 装置可连接到该直流电压中间电路。
图7示出了通过DC/DC变换器将图4和5的储能块连接到图6的直 流电压中间电路的示意图。
具体实施方式
图6示出了驱动系统1的示例，图1至5中示例性地示出的根据本 发明的示例性实施例的储能装置可以连接到该驱动系统。驱动系统1可 以包括电动马达M，电流源或电压源5可以通过电力电子器件2向该电 动马达供电，其中，如同通常在工程机械中的情况，所述电流源5可以 是电源端子或可例如由柴油机驱动的发电机。所述电动马达M可以驱动 各种致动单元。例如，如上所述，这些致动单元可以是升降装置的升降 机和/或移动驱动器，例如建筑物的载人和/或货物升降机的形式，或起重 机(特别是集装箱桥式起重机)的形式，或者是移动工程机械(例如，卡车 搅拌机)的致动器或驱动单元。
如图6所示，电力电子器件2可以包括变频器3，该变频器控制电动 马达M并向其供电。所述变频器3可以由直流电压电路或直流电压中间 电路4供电，该直流电压电路或直流电压中间电路连接到电流源5并且 可用作整流器。特别地，所述直流电压中间电路4可以包括中间电路电 容器C1，如图1和图2所示，储能装置6可以连接到该中间电路电容器 的两个电压端子。特别地，储能装置6的至少一个储能块7的连接可以 通过DC/DC变换器8进行，该DC/DC变换器将储能块7的输出电压U2 连接到直流电压中间电路4的电压U1(参见图7)。
当驱动系统1的电动马达M进行驱动时，从直流电压中间电路4中 获取能量并将其提供给电动马达M，其中，通过电源整流器从电流源5 进行后续的能量供应，该电源整流器形成图6中的电力电子器件2的左 侧电路部分。然而，当电动马达M进行制动时，将能量从电动马达M输 入到直流电压系统中。在没有中间储能的常规系统中，通常会损失该往 回馈送的能量(在图3中被表示为附图标记R1)而生成热量，其中，可以 通过直流电压系统借助于电子开关T5来切换这种高负载电阻，以便避免 由于往回馈送的能量而破坏电力电子器件。
现在，例如与中间电路电容器C1的端子连接的储能系统不损失从直 流电压中间电路4往回馈送的能量，而是用于吸收该能量并使其在以后 的时间点再次可用。在这种情况下，储能器本身可由各种可用于此目的 的电气部件形成。特别地，它们可以是双层电容器，或者是例如在应急 电源设备中使用的电池单元或蓄电池。例如，储能块7可以由串联和/或 并联连接的几个这种单元(例如，多个双层电容器)形成，该储能块根据电 池类型和充电状态输出可变的总电压。
现在，电路被有利地设计成使得储能块7的最大电压低于直流电压 中间电路4的最小电压。如图7所示，储能块7的输出电压U2可以例如 在250至500V的范围内，而直流电压中间电路4的端子两端的电压U1 可以例如为650V。
现在，DC/DC变换器8将两个电压系统相互连接，其中，DC/DC变 换器的电路能够将能量从高电压电平转移到低电压电平，这对应于储能 块7的充电，并且还在另一方向上转移，这对应于收回或从储能块7到 中间电路4的能量传输(参见图7)。
如图1和2所示，储能装置6有利的特征在于即插即用的构造，使 得储能装置6可以简单地以黑匣子的方式连接到中间电路4。在此，如上 所述的可包括多个储能单元(例如，双层电容器的形式)的储能块7分别与 DC/DC变换器8以及实现储能装置的能量管理的控制装置9组合在一起， 以形成储能单元并集成到公共的壳体10中，该公共壳体可以如上所述地 由不同的壳体部分组成。在储能单元的壳体10的外侧上，仅设置有两个 可有利地被设计为插头的电源端子11和12以及信号线端子13，控制装 置9可以例如经由总线系统通过该信号线端子与另一储能单元的上级控 制器PLC或控制装置9通信。此外，冷却剂端子14可以分别设置在储 能单元的壳体10上，以便能够将集成到壳体10中的用于冷却储能块7 和/或DC/DC变换器8和/或控制装置9的冷却回路连接到工作机械的外 部冷却回路。
如图1和2所示，储能装置6的所述内部控制装置9可以包括控制 器板90，该控制器板控制和/或调节储能装置6的各种控制功能，特别是 控制上述DC/DC变换器8，并执行稍后说明的其它控制功能。
由此，所述控制器板90可以包括微控制器91，该微控制器可以例如 处理能存储在储能器模块(未详细示出)中的一个或多个软件模块。此外， 所述控制器板90可以包括所谓的FPGA模块，即现场可编程门阵列(参 见图2中的附图标记92)。
此外，控制器板90有利地包括多个硬件电路，以便实现各种控制功 能。
此外，控制装置9有利地包括通信板95，该通信板可以插入到所述 控制器板90上并且可以实现现场总线通信。
如图2所示，所述控制器板90还包括多个信号端子和/或电源端子， 它们例如可以被设计成可拆卸的插头连接器93，以便能够可拆卸地连接 到下述的适配板96。
此外，控制器板90可以包括多个输入端94，例如用于连接各种传感 器的插头触点的形式。
控制装置9的所述适配板96有利地包括多个适配电路100(例如，硬 件电路的形式)，通过它们可以调节和/或转换和/或引导和/或分配接收信 号，以便例如能够使驱动装置的上级或外部系统控制器的输入信号适配 于集成的控制装置9的需求并能够向其传送该输入信号，且/或相反地， 能够调节和/或转换来自内部控制装置9的控制信号、操作数据和/或检测 参数，且/或使该控制信号、操作数据和/或检测参数能够适配于外部系统 控制器的需要并能够向其适当地提供该控制信号、操作数据和/或检测参 数。
由此，前述适配板96有利地包括多个接口97，例如插头的形式，以 便能够连接到控制器板90，特别是连接到其插头触点93，以便能够在控 制器板90和适配板96之间交换相应的信号和/或指令和/或数据。
除了用于控制器板90的所述接口连接器之外，适配板96还可以包 括传感器端子99，以用于连接可以设置在储能装置6中或也可作为驱动 装置上的外部传感器设置的各种传感器。
特别地，包括控制器板90、适配板96和通信板95的所述控制装置 9可以被配置为执行以下控制功能和监测功能：
·用于操作储能器的状态机
ο内部中间电路的自动预充电
ο与外部中间电路的自动连接和断开连接
ο到初始电压的自动预充电(可参数化)
·各种传感器的检测：
ο电压
ο电流
ο温度
ο流速
·用于电力电子器件的控制信号的产生
·储能器中的电流的调节
·储能器的各种预定操作模式
ο中间电路电压的调节
ο通过额定值窗口对中间电路电压的调节
ο中间电路电流的调节
ο功率调节
ο充电状态调节
ο储能器的主动放电
·电力电子器件的自检
·限值：(可参数化)
ο在达到储能器的电压限值时
ο在达到储能器的电流限值时
ο在达到中间电路的电流限值时
ο在达到中间电路的功率限值时
ο在达到温度限值时
·监测：
ο储能器中的过载电流
ο过载电压(中间电路、储能器和各个储能块中的电压)
ο温度过高(冷却水、储能块、内部空间、节流阀)
ο继电器状态
ο冷却(流量、冷却单元)
ο电力电子器件
ο储能器的预期剩余寿命的计算
ο通过自动测量储能器额定数据的容量和内阻来确定储能状 态
ο储能单元的平衡功能
·与外部系统的现场总线通信
ο操作模式、开启、停止的规定
ο各个操作模式的额定值的规定
ο操作期间的可变极限值的规定
ο用于相应调节或操作模式的预控制值
ο储能器的当前状态的读出
ο当前操作数据的读出
·将统计数据存储在控制器中
ο储能器温度的时间分布
ο功率的时间分布
ο储能器中的电流的时间分布
ο储能器中的电压的时间分布
·用于最多10个储能器的并联连接的主/从操作
ο储能器之间的通过CAN总线进行的CAN内部通信
ο并行连接的不同储能器的电压的同步
ο并联连接的储能器中的电流的均衡分布
·储能器的操作数据到中央服务器(云端)的传送
·在控制器中，可以通过参数更改功能。
可以通过USB接口或Profinet接口以及PC程序Opal来进行参 数设置。
可以通过参数来调节以下功能：
ο通信参数
ο用于电力电子器件的参数(最大电流、最小最大电压、传感 器、开关时间、开关频率)
ο操作模式(通过现场总线或连接与使用(Connect&Use)进行 的控制、主从模式、错误响应)
ο监测功能
-冷却、平衡功能、电压的极限值
-电流和功率的极限值
ο储能器的额定数据(额定容量、额定电流、电感…)
ο控制器的用于各种操作模式的设置
如图1所示，多个这种储能单元可以并联连接并以这种构造连接到 直流电压中间电路4，其中，通向外部的电源端子11和12可以直接并联 连接，即“+”连接到“+”且“-”连接到“-”。储能单元的相互连接的 控制装置9经由控制总线彼此通信并特别地支持所述并联连接，使得并 联连接的单元的所有储能块被自动调节为一致的能量值。在此，储能块7 可以分别具有平衡电路，该平衡电路使储能单元的单个电压达到尽可能 一致的值。
如图2所示，并联连接的储能单元的控制装置9也可以彼此分等级 地通信，其中，一个控制装置9用作主单元，其控制其它用作从单元的 控制装置9，向它们提供控制缺省值和/或直接控制指令，并与上级系统 控制器PLC通信。
在此，储能单元的控制装置9可以包括上面已详细说明的控制和/或 调节构件，并且可以设置有相应的传感器、检测电路或传感器电路或与 它们连接，使得可并联地组合的储能装置6或其储能单元能够执行上述 的功能。

Claims (21)

1.一种储能装置，其包括：
电源端子(11、12)，其用于连接到驱动系统(1)的电力电子器件的电压电路，所述驱动系统能够由外部系统控制器(PLC)控制；
至少一个储能块(7)；
至少一个功率变换器(8)，其用于将所述驱动系统(1)的所述电力电子器件的所述电压电路连接到所述储能块(7)的内部电压电路(4)；以及
控制装置(9)，其用于控制所述至少一个功率变换器(8)，
其中，所述控制装置(9)具有控制器板(90)，所述控制器板具有输出和/或输入控制构件以及电压调节和/或控制构件，所述输出和/或输入控制构件用于控制所述功率变换器(8)以将电流从所述储能块(7)输出到所述驱动系统(1)且/或将电流从所述驱动系统(1)输入到所述储能块(7)，所述电压调节和/或控制构件用于调节和/或控制所述储能装置(6)的输出电压，
其特征在于，所述控制装置(9)具有连接到所述控制器板(90)的适配板(96)，所述适配板包括多个用于不同地设计的外部系统控制器的连接端子(98)、至少一个用于与所述控制装置(9)的所述控制器板(90)通信的通信接口(97)以及至少一个用于在所述适配板(96)的所述连接端子(98)与所述控制器板(90)之间适配和传输信号的适配电路(100)。
2.根据前一权利要求所述的储能装置，其中，所述适配板(96)包括多个不同地设计的所述适配电路(100)，所述适配电路中的相应的匹配电路分别适配来自/去往相应的所述外部系统控制器(PLC)的所需的信号、数据和/或参数。
3.根据前述任一项权利要求所述的储能装置，其中，所述适配板(96)还包括多个用于连接到不同的传感器的传感器端子(99)，所述传感器用于为所述系统控制器(PLC)和/或为内部的所述控制装置(9)提供传感器信号。
4.根据前一权利要求所述的储能装置，其中，所述适配板(96)一方面通过所述传感器端子(99)连接到储能装置内部传感器，所述储能装置内部传感器用于监测所述储能装置(6)，特别是监测所述储能装置的所述储能块(7)以及/或者所述功率变换器(8)和/或所述内部电压电路(4)上的至少一种操作状态，并且所述适配板还连接到外部传感器，所述外部传感器监测待连接的所述驱动系统(1)或它的所述电力电子器件的至少一种操作状态。
5.根据前述任一项权利要求所述的储能装置，其中，所述控制器板(90)包括至少一个微控制器(91)、至少一个FPGA模块(92)以及硬件电路。
6.根据前述任一项权利要求所述的储能装置，其中，所述控制装置(9)还包括通信板(95)，所述通信板被设置为用于执行所述控制装置(9)与所述储能装置(6)的信号发射和/或信号处理模块以及与待连接的所述驱动装置(1)的信号发射和/或信号处理模块的现场总线通信，特别是与所述驱动装置(1)的所述外部系统控制器(PLC)的现场总线通信。
7.根据前一权利要求所述的储能装置，其中，所述通信板(95)具有插接连接器，并且优选地能够可拆卸地插入到所述控制器板(90)上。
8.根据前述任一项权利要求所述的储能装置，其中，所述通信板(95)和/或所述适配板(96)包括用于与所述外部系统控制器(PLC)进行现场总线通信的现场总线通信模块，其中，所述现场总线通信模块被设置和设计为用于规定所述驱动装置(1)的操作模式，且/或规定所述驱动装置(1)的启动或停止，且/或为所述驱动装置(1)的各个操作模式规定额定值，且/或在所述驱动装置(1)的操作期间规定可更改的限值，且/或为所述驱动装置(1)的调节和/或所述驱动装置(1)的操作模式规定预控制值。
9.根据前述任一项权利要求所述的储能装置，其中，所述控制器板(90)包括用于设定或控制所述储能装置(6)的不同操作模式的操作控制构件，其中，所述操作控制构件包括至少一个用于调节中间电路电压的调节器和/或用于通过额定值窗口调节中间电路电压的调节器和/或用于调节中间电路电流的调节器和/或用于调节功率的调节器和/或用于调节充电状态的调节器和/或用于使所述储能块主动放电的控制构件。
10.根据前述任一项权利要求所述的储能装置，其中，所述控制器板(90)包括用于所述电力电子器件的自测试的自测试模块。
11.根据前述任一项权利要求所述的储能装置，其中，所述控制器板(90)包括至少一个可参数化的限制器模块，所述限制器模块被设置和设计为用于，在达到能够通过参数化所述限制器模块而可变地规定的储能器电压限值时，且/或在达到能够通过参数化所述限制器模块而可变地规定的储能器电流限值时，且/或在达到能够通过参数化所述限制器模块而可变地规定的中间电路电流限值时，且/或在达到能够通过参数化所述限制器模块而可变地规定的中间功率限值时，且/或在达到能够通过参数化所述限制器模块而可变地规定的温度限值时，限制或改变所述储能装置和/或所述驱动装置的至少一个特征操纵变量，特别是限制或减小输出或输入的电流和/或电压电平。
12.根据前述任一项权利要求所述的储能装置，其中，所述控制器板(90)包括至少一个监测模块，所述监测模块被设计成用于监测冷却装置的冷却液中和/或所述至少一个储能块(7)中和/或所述储能装置(6)的内部空间中和/或至少一个阻流圈处的温度过高，以及/或者至少一个冷却装置继电器的状态和/或冷却剂流量和/或冷却单元状态，并且根据所监测的变量来限制或改变所述储能装置和/或所述驱动装置的至少一个特征操纵变量。
13.根据前述任一项权利要求所述的储能装置，其中，所述控制器板(90)包括至少一个监测模块，所述监测模块被设计成用于监测所述储能块(7)的平衡功能，并根据所监测的平衡性来控制所述储能装置的至少一个特征操纵变量。
14.根据前述任一项权利要求所述的储能装置，其中，所述控制器板(90)包括用于以主/从模块操作多个所述储能块(7)的主/从控制装置，其中，所述主/从控制装置包括允许多个储能单元优选地经由CAN-BUS彼此通信的通信构件以及用于同步并联连接的所述多个储能单元的电压的同步构件以及用于在并联连接的所述储能单元之间平均分配电流的分配控制构件。
15.根据前述任一项权利要求所述的储能装置，其中，所述控制器板(90)包括至少一个参数化模块，以用于参数化和/或可变地设定以下功能中的至少一项：
-至少一个通信参数；
-所述电力电子器件(2)的至少一个参数，特别是所述电力电子器件(2)的最大电流、最小和/或最大电压、至少一个传感器、至少一个开关时间和/或至少一个开关频率；
-至少一种操作模式，特别是经由现场总线的控制模式，和/或主/从模式，和/或错误响应模式；
-至少一种监测功能，特别是为冷却装置和/或平衡功能和/或电压规定极限值，和/或为所述储能装置(6)和/或所述驱动装置(1)的电流和功率规定至少一个极限值；
-所述储能装置(6)的额定数据，特别是额定容量和/或额定电流和/或电感；
-至少一个调节器的设定。
16.根据前述任一项权利要求所述的储能装置，其中，设置有至少一个DC/DC变换器(8)作为所述功率变换器，以用于将直流电压中间电路(4)连接到所述至少一个储能块(7)的所述内部电压电路，其中，所述DC/DC变换器(8)被双向地设计，并且所述控制装置(9)包括用于控制所述DC/DC变换器的输出和输入控制构件，以既能将电流从所述储能块(7)输出到所述直流电压电路(4)又能将电流从所述直流电压电路(4)输入到所述储能块(7)中。
17.根据前述任一项权利要求所述的储能装置，其中，所述储能块(7)包括至少一个用于能量存储的电容器，优选为双层电容器。
18.一种具有至少一个电动马达(M)和至少一个储能装置(6)的驱动系统，所述电动马达能够通过电力电子器件(2)供电，所述电力电子器件能够通过电压电路(4)连接到电压源(5)，所述储能装置用于临时存储从所述电动马达(M)往回馈送的能量，其中，所述储能装置是根据前述任一项权利要求设计的，并且连接到所述电压电路(4)。
19.根据前一权利要求所述的驱动系统，其中，所述储能装置(6)的所述至少一个储能块(7)的最大电压(U2)保持为低于所述直流电压中间电路(4)的最小电压。
20.根据前两项权利要求中任一项所述的驱动系统，其中，通过所述储能装置(6)的所述DC/DC变换器(8)，既将所述电动马达(M)的往回馈送的能量输入到所述储能装置(6)中，还将所临时存储的能量从所述储能装置(6)输出到所述直流电压电路(4)。
21.一种具有根据前述权利要求18至20中任一项设计的驱动系统的升降装置，特别是建筑物的载人和/或货物升降机。
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