CN117461235A - 能量供应单元、具有能量供应单元的能量供应系统以及用于操作能量供应单元的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于从能量源向用电装置(32)供应电能的能量供应单元(1)，其包括：电流供应连接器(4)；用电装置连接器(21)；初级功率转换器(2)，其包括对来自电流供应连接器(4)的能量进行转换并将该能量传输到用电装置连接器(21)的转换器(7)以及辅助电路部分(8)，其中，辅助电路部分(8)具有由馈送到转换器(7)的初级侧转换器电压提供的初级侧能量供应(10)；至少一个次级功率转换器(3)，其与初级功率转换器(2)并联连接到电流供应连接器(4)以提供辅助能量；以及控制单元(5)，其由辅助能量供电并且通过信息路径(9)电气连接到辅助电路部分(8)，用于信息传输，控制单元(5)被配置为，当能量供应单元(1)处于能量传输模式时，控制单元使得转换器(7)与电流供应连接器(4)的电气连接，并且当能量供应单元(1)处于与能量传输模式相比具有更低功耗的待机模式时，控制单元中断辅助电路部分(8)的初级侧能量供应(10)。本发明还涉及具有至少一个可充电储能单元(32)和这种能量供应单元(1)的能量供应系统(30)以及用于操作这种能量供应单元(1)的方法。

Description

能量供应单元、具有能量供应单元的能量供应系统以及用于 操作能量供应单元的方法

技术领域

本发明涉及用于从能量源向用电装置供应电能的能量供应单元、具有可充电储能单元的能量供应系统以及用于操作用于从能量源向用电装置供应电能的能量供应单元的方法。

背景技术

存在限制电网供电的电气设备在待机状态下的容许能量吸收的法律规定，例如，该电气设备可连接到家庭电网。例如，该限制值为500mW(或更小)。

一般来说，能量供应单元是众所周知的，它从能量源，特别是从电力网(在此，也简称为“电网”)向用电装置供应电能，其中，电网提供的电能通常以交流电压的形式存在，并通常由能量供应单元通过功率转换器或变换器进行转换，特别是使其适应于用电装置的电力需求，然后将其传输到用电装置。与电网侧输入量相比，变换器转换的输出侧电气输出量可以具有更高或更低的电压和/或电流和/或频率。输入量和输出量可以都是交流电压或都是直流电压，或者这两个量中的一者是交流电压，另一者是直流电压。

为了向功率消耗较高(例如，100W及以上)的用电装置供电，可以相应地设计功率转换器。然而，一般来说，要同时确定功率转换器的大小，使其空闲时的功耗降到一定限值(例如，10W)以下是比较困难或昂贵的。

发明内容

在此背景下，本发明的目的是提供一种从能量源向用电装置供应电能的能量供应单元、一种具有可充电储能单元的能量供应系统和一种用于操作能量供应单元的方法，其特征主要在于能量供应效率高以及待机能量吸收低。此外，它们还能以较低的生产成本确保较高的电气安全性。

该目的通过具有权利要求1的特征的能量供应单元、具有权利要求15的特征的能量供应系统和具有权利要求16的特征的用于操作能量供应单元的方法来实现。相应的从属权利要求公开了本发明的其他特别有利的实施例。

必须指出的是，权利要求中单独引用的特征可以以任何技术上有意义的方式(即，跨越诸如方法和设备等类别的界限)相互组合，并代表本发明的其他实施例。本说明书，特别是结合附图，额外地表征和说明了本发明。

还需注意的是，在下文中使用的位于两个特征之间并将它们彼此链接的连词“和/或”应始终理解为，在根据本发明的主题的第一实施例中，可以只提供第一特征，在第二实施例中，可以只提供第二特征，并且在第三实施例中，可以提供第一和第二特征两者。

本文中使用的术语“大约”是指本领域技术人员认为常见的公差范围。特别地，术语“大约”应被认为是指相关量的最大+/-20％，优选地最大为+/-10％的公差范围。

此外，在本发明的意义上，本文中使用的与特征相关的诸如“更大”、“更小”、“更高”、“更低”、“更重”、“更轻”等相对术语应始终解释为：由生产和/或实现引起的、且在为生产或实现相应特征而定义的生产/实现公差范围内的相关特征尺寸偏差不属于相应的相对术语。换句话说，只有当两个比较尺寸在它们的数量上有明显差异，以至于这种尺寸上的差异肯定不属于由生产/实现所引起的相关特征的公差范围，而是目标行动的结果，该特征的尺寸在本发明的意义上才被认为是比比较特征的尺寸例如“更大”、“更小”、“更高”、“更低”、“更重”、“更轻”等

根据本发明，用于从能量源(例如，电网，例如但不严格限于低压电网(例如，230VAC))向用电装置供应电能的能量供应单元包括电流供应连接器、用电装置连接器、初级功率转换器、至少一个次级功率转换器和控制单元，该初级功率转换器具有转换器和辅助电路部分。

电流供应连接器用于将初级侧上的能量源电气连接到能量供应单元。为此，该电流供应连接器例如可被配置为插入式装置，如果需要，可以利用该插入式装置将能量供应单元连接到电网。

用电装置连接器使得可以将用电装置侧的用电装置与能量供应单元电气连接。在此，应理解的是，用电装置连接器不必严格地通过可拆卸连接来实现，而是还可被配置为在用电装置和能量供应单元之间在操作上不可拆卸且永久(例如，焊接)的电气连接。例如，在能量供应单元和用电装置是上级系统(例如，能量供应系统)的部件，特别是牢固结合的部件的情况下，这可能是特别有利的。

在该意义上，也根本不严格要求将用电装置连接器从能量供应单元引导到外部。例如，用电装置(例如，诸如电池单元等储能单元)可以集成地结合到能量供应单元中，甚至例如结合到转换器本身中。在这种情况下，用电装置连接器也可以是能量供应单元内的内部连接器。

初级功率转换器的转换器(也被称为转换装置)用于将能量从电流供应连接器转换并传输到用电装置连接器。一般而言，这应被理解为一种将初级侧馈送的转换器电压调节或转换为用电装置侧用电装置电压以特别使初级侧转换器电压适应于用电装置电气要求的装置。因此，与电网侧输入电压或初级侧转换器电压相比，转换器的用电装置侧输出电压特别可以具有更高或更低的电压和/或频率。输入量和输出量可以都是交流电压或都是直流电压，或者两个量中的一者可以是交流电压，而另一者可以是直流电压。此外，输入量和输出量可以与电流相关，而与电压无关。

设置有初级功率转换器的辅助电路部分，以便检测初级功率转换器的至少一个操作参数，且/或可操作地控制转换器。例如，操作参数可以是电压、电流、温度等，这些操作参数可以由辅助电路部分检测，以便监测初级功率转换器或转换器的瞬时操作状态，并且如有必要，在检测临界操作状态(例如，过压或欠压/过电流或欠电流/温度过高或温度过低)期间，独立地或由控制单元引起地采取对策，即执行上述控制，该控制例如是以电气有效的方式暂时断开转换器与电流供应连接器或者暂时限制传输功率等，以便防止短期过电压的不期望的影响。因此，辅助电路部分与转换器的不同之处在于其基本上不参与实际的能量转换。

为了完成其任务，辅助电路部分本身需要电能。因此，辅助电路部分具有初级侧能量供应，该初级侧能量供应由馈送到转换器的初级侧转换器电压提供。例如，在这种情况下，辅助电路部分的典型功耗可能在12V时约为1.5mA。

至少一个次级功率转换器用于在次级侧提供辅助能量，并且在初级侧与初级功率转换器并联地连接到电流供应连接器。

由次级功率转换器提供的辅助能量用于向布置在次级侧的控制单元提供电能。为此，与初级功率转换器相比，次级功率转换器仅提供较小的最大功率(例如，3W)，该最大功率在任何情况下都不足以维持连接到用电装置连接器的用电装置的正常操作。相反，初级功率转换器可以有利地被配置为使得其能够满足用电装置的正常操作的功率需求，例如优选地满足至少100W、300W或者至少500W。

此外，控制单元通过信息路径以信息传输的方式电气连接到辅助电路部分，以便以根据所传输的信息的方式控制初级功率转换器，其中，该控制可以直接进行(例如，通过相应的控制路径/控制线)，或间接进行(例如，通过辅助电路部分)。

信息传输可以例如包括由辅助电路部分检测的操作参数(例如，电压、电流、温度等)。信息传输还可以包括控制信息，该控制信息特别可以由控制单元传输到辅助电路部分，以实现对初级功率转换器的控制。因此，信息传输可以经由信息路径以双向方式在辅助电路部分和控制单元之间进行，然而，不严格限于经由信息路径的双向信息传输。

根据本发明，控制单元被配置为当能量供应单元处于能量传输模式时实现转换器与电流供应连接器的电气有效连接，并且向辅助电路部分提供初级侧能量供应，并且当能量供应单元处于与能量传输模式相比能耗更少的待机模式时，实现转换器与电流供应连接器的电气有效断开，并中断辅助电路部分的初级侧能量供应。

根据本发明的能量供应单元，特别通过用于能量传输的初级功率转换器和用于向控制单元供应辅助电流的次级功率转换器之间的断开，并结合辅助电路部分的可控关断，可以显著降低在待机模式下通过电网上的能量供应单元操作的用电装置的空载功耗。特别地，可以因此安全地满足法律要求，例如在上文中提及的500mW最大待机能耗的极限值。然而，可以通过能量供应单元可靠且安全地供应具有比这种阈值更大的操作功耗的用电装置，该用电装置的操作功耗例如为至少100W，优选地至少300W，更优选地至少500W。由于初级功率转换器除了其实际的功率传输功能以外，基本上也不必为低功耗待机模式而进行专门设计，因此可以具有更少数量的元件，这提高了功率转换的效率因数并降低了生产成本。

控制单元被配置为在待机模式下实现转换器与电流供应连接器的电气有效断开。例如，这可以通过辅助电路部分(间接控制)来进行。替代地或补充地，控制单元还可以例如通过切换(即，断开/闭合)相应设置的开关构件(例如，功率半导体开关)经由单独设置的控制路径直接实现转换器的关断或断开(直接控制)。

替代地或补充地，根据本发明主题的可能实施例的辅助电路部分可被配置为用于选择性地将转换器从电流供应连接器电气有效地断开。这可以例如响应于由控制单元经由信息路径传输的控制信息进行。

如果辅助电路部分例如检测到电流供应连接器处和/或初级功率转换器中的过电压，则转换器也可以暂时与辅助电路部分断开，以便立即(即，在最短时间内)对这种过压事件作出反应。因此，可以避免对转换器的负面影响。例如，在过压事件的情况下，转换器的暂时断开也可以通过控制单元经由信息路径向辅助电路部分传输控制信息而由控制单元实现。

补充地或替代地，辅助电路部分还可被配置为通过上述在待机模式下关断辅助电路部分自动地将转换器与电流供应连接器电气有效地断开，以便如有必要可以省去控制单元和转换器之间的单独的控制路径。

通过将次级功率转换器配置为与初级功率转换器相比消耗更低的空载功率，可以进一步降低能量供给单元的生产成本及其在待机模式下的功耗。次级功率转换器可以以技术上简单且低成本的方式被设计为具有比(优选的高性能)初级功率转换器显著更低的空载功率，次级功率转换器的空载功率优选地最多为500mW，更优选地最多为300mW，并且最优选地最多为100mW，初级功率转换器将空载期间的最大功耗限制为小于10W已经需要相当大的额外构造工作，增加了复杂性，并需要显著的额外成本。

本发明主题的有利改进示例提出了，辅助电路部分还具有由次级功率转换器的辅助能量提供的次级侧能量供应。以此方式，一部分辅助电路部分可以经由初级侧能量供应进行供应，而另一部分辅助电路部分(特别是电连接到信息路径的部分)可以经由次级侧能量供应供电，次级侧能量供应还可以供应给连接到信息路径的控制单元。因此，通过以相应分离的方式相应地配置的辅助电路部分，可以在控制单元和初级功率转换器之间提供电流隔离，并且在次级侧上布置的控制单元和初级功率转换器的辅助电路部分之间仍提供信息传输连接。

在本发明的另一有利实施例中，可以通过相应的隔离装置在控制单元和初级功率转换器之间或者在控制单元和初级功率转换器的电网输入侧(即，电流供应连接器)之间插入电流隔离(隔离部)。例如，可以通过电感或电容耦合装置或通过光耦合器来进行电流隔离，但不严格限于此。

根据本发明主题的有利改进示例，辅助电路部分的初级侧能量供应通过其中集成有可控开关元件的恒流源实现。这意味着恒流源包括作为部件的开关元件，并且不连接在恒流源的下游，特别是不与其串联连接。在此，开关元件应理解为基本上仅在两种预定开关状态下有效操作的功能元件，即在断开的、高电阻的开关状态(断开)和闭合的、低电阻的开关状态(闭合)下进行操作。因此，开关元件基本上不参与恒流源本身的电流控制(电流强度的控制)。

如本文已经提到的，辅助电路部分的初级侧功耗可能相对较低，例如在12V时仅约为1.5mA，但是通过初级侧转换器电压可靠地并且通过低成本的结构来提供辅助电路部分的初级侧能量供应原则上是一个挑战。例如，即使在最小的允许操作/电网电压(例如，85VAC)的情况下，也必须为辅助电路部分提供足够的能量，以便能够确保初级功率转换器的正常操作。另外，如果初级侧能量供应的电流消耗基本上与操作/电网电压成线性关系，例如如果初级侧能量供应中存在有效欧姆电阻，则功率消耗和操作/电网电压之间可以近似地存在二次关系。因此，在能量供应单元以更高操作电压(例如，264VAC)操作期间，可能更难以甚至不可能遵守关于最大待机功耗的要求。

在本配置中，通过恒流源实现了初级侧能量供应的功耗与电源单元的操作电压之间的关系在一级近似中是线性的。然而，仅提供恒流源仍可能产生功耗值，从而使能量供应单元的其余设计更加昂贵。例如，1.5mA和230VAC的操作电压已经导致初级侧能量供应的345mW的功耗。

在当前配置中提供的恒流源与可控集成开关元件的组合具有的实质性优点是，在待机模式中通过完全中断(即，关断)初级侧能量供应而基本上完全消除了初级侧能量供应的功耗。

在优选实施例中，如本文详细解释的，由于开关元件可以经由辅助电路部分接收关于初级功率转换器的瞬时操作状态(即，能量传输或待机)的所需信息，因此开关元件在此可以由控制单元控制。

本发明的又一有利实施例提出了，开关元件是具有光学地作用于光耦合器晶体管的光耦合器LED的光耦合器。因此，初级侧能量供应和控制开关元件的单元之间的电流隔离还可以以结构简单、技术精巧且成本低的方式实现，该控制开关元件的单元优选地可以例如是布置在次级侧上的控制单元。

应指出的是，具有恒流源和集成的可控开关元件，特别是能够以电流隔离的方式控制的开关元件(例如，诸如光耦合器)的初级侧能量供应基本上不严格限于与根据本文公开的本发明的能量供应单元的组合。相反，这种电源通常可以有利地用在控制开关元件的控制单元与提供能量供应的电源电压(例如，初级侧转换器电压)之间要保持电流隔离的位置处，其中，如果不使用电源(例如，待机)，则可以通过开关元件关断该电源，并且可以将其空载功耗降低到基本上为零。

因此，本说明书的范围还应仅包括能够以电流隔离方式切换的能量供应。关于也能够以技术上有意义的方式归属于能够以电隔离方式切换的电源的术语定义、特征及其效果和优点，可以完全参考根据本发明的能量供应单元的相应定义、特征、效果和优点的公开内容。因此，本文中关于根据本发明的能量供应单元的公开内容经过必要的修改也可以用于定义以电流隔离方式切换的能量供应单元，反之亦然。为了更简洁的描述，可以在此处省略对基本上相同的特征、其效果和优点的明确重复的解释，而这种省略不应被解释为对能够以电流隔离的方式切换的电源的限制。

本发明主题的另一有利实施例提出了，恒流源具有：场效应晶体管，特别是耗尽型金属氧化物半导体场效应晶体管；以及与其串联连接的电阻器。通过适当确定电阻器的大小，结合串联连接的开关元件，特别是如果选择光耦合器作为开关元件，可以就具有最小自身功耗的足够高的且可靠的初级侧能量供应而言最佳地预先确定恒流源的控制特性。

另外，根据本发明的优选实施例，可以设置有电气连接到电流供应连接器的整流器，该整流器提供初级侧转换器电压。例如，整流器可以是二极管整流器。整流器可以优选地是初级功率转换器的部件，但不严格限于此。无论如何，在当前情况下，初级侧能量供应是由整流器提供的转换器直流电压馈送的。

根据本发明主题的进一步有利的实施例，辅助电路部分可被配置为检测作为操作参数的初级侧转换器电压和/或初级侧能量供应的电压，且/或检测作为操作参数的流向转换器和/或流向辅助电路部分的电流。

还优选地，初级功率转换器可被配置和形成为在用电装置连接器处提供的电功率至少为100W，更优选地至少为300W，并且甚至更优选地至少为500W。

根据本发明主题的又一有利实施例，设置有电气连接到转换器的至少一个可充电储能单元，该储能单元例如是诸如锂离子电池等电池单元。在此，储能单元可以连接到用电装置连接器。换句话说，储能单元在此有利地直接集成(安装)到能量供应单元中。例如，至少一个储能单元可以集成到转换器中。为此，转换器可以例如具有所谓的级联H桥电路，一个或多个储能单元相应地以集成方式安装到该级联H桥电路中，并且可以通过转换器利用在电流供应连接器处供应的电能供电，以用于充电过程。

根据本发明的另一方面，能量供应系统，特别是移动或便携式能量供应系统，具有至少一个可充电储能单元(例如，诸如锂离子电池等的电池单元)和根据本文公开的其中一个实施例的能量供应单元。为了给储能单元充电，可以通过能量供应单元从可连接到能量供应单元的能量源(例如，电网)向储能单元供电。

然而，移动式能量供应系统，特别是便携式能量供应系统应被理解为具有可由单个人操作的重量和尺寸的系统。因此，能量供应系统的重量优选地低于25公斤，并且尺寸被确定为使得能量供应系统例如可以作为背包携带。然而，能量供应系统并不严格限于移动或便携式配置。

根据本发明的又一方面，用于操作能量供应单元，优选地根据本文公开的其中一个实施例的能量供应单元的方法具有以下步骤：

-提供电流供应连接器，电能源，特别是电网电气连接到该电流供应连接器；

-提供用电装置连接器，由能量源供电的用电装置电气连接到该用电装置连接器；

-提供初级功率转换器，其具有转换器和辅助电路部分，利用转换器将能量从电流供应连接器转换并传输到用电装置连接器，利用辅助电路部分检测初级功率转换器的至少一个操作参数和/或控制转换器，其中，向辅助电路部分提供来自馈送到转换器的初级侧转换器电压的初级侧能量供应；

-提供至少一个次级功率转换器，其与初级功率转换器并联连接到电流供应连接器，利用该次级功率转换器在次级侧提供辅助能量；

-提供控制单元，其由次级功率转换器提供的辅助能量供电，其中，初级功率转换器由控制单元根据经由信息路径在控制单元和辅助电路部分之间传输的信息进行控制，

其中，当能量供应单元处于能量传输模式时，转换器有效地电气连接到电流供应连接器，并且辅助电路部分提供有初级侧能量供应，并且当能量供应单元处于与能量传输模式相比具有更低功耗的待机模式时，转换器与电流供应连接器有效地电气断开，并且中断辅助电路部分的初级侧能量供应。

应注意的是，关于术语的与方法相关的定义、该方法的特征的效果和优点以及关于也在本文中公开的根据本发明的能量供应系统，可以完全参考根据本发明的能量供应单元的相应定义、特征、效果和优点的公开内容。因此，除非本文明确排除，否则关于根据本发明的能量供应单元的公开内容经过必要的修改也可以用于定义根据本发明的方法和根据本发明的能量供应系统，反之亦然。为了更简洁的描述，可以在此处省略对基本上相同的特征、其效果和优点的明确重复的解释，而这种省略不应被解释为限制。

附图说明

本发明的其他特征和优点从本发明的示例性实施例的以下说明中变得显而易见，其不应被理解为限制性的并且将在下面参考附图进行解释。在这些图中，附图示意性示出：

图1示意性地示出了根据本发明的能量供应单元的示例性实施例的电路框图。

图2示意性地示出了图1的能量供应单元的初级侧能量供应的示例性实施例的电路图。

图3示意性地示出了根据本发明的能量供应系统的示例性实施例的电路框图。

在各个附图中，功能相同的部件始终设置有相同的附图标记，因此通常也只对它们描述一次。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的能量供应单元1的示例性实施例的电路图，该能量供应单元1用于从能量源(例如，电网)向用电装置(未示出)供应电能，该电网诸如是例如具有230VAC的低压交流电网。

在图1中，附图标记22在每种情况下表示所示功能部件的初级侧，并且附图标记23在每种情况下表示这些功能部件的次级侧。

从图1中可以明显看出，能量供应单元1具有用于将能量供应单元1电气连接到能量源的电流供应连接器4。此外，示例性能量供应单元1具有用于电气连接待供电的用电装置(例如，图3中的用电装置32)的用电装置连接器21以及初级功率转换器2，该初级功率转换器2又包括用于将能量从电流供应连接器4转换并传输到用电装置连接器21的转换器7，并且该初级功率转换器2包括用于检测初级功率转换器2的至少一个操作参数和/或用于控制转换器7的辅助电路部分8。辅助电路部分8具有初级侧能量供应10，其在图1中象征性地示出在辅助电路部分8的初级侧能量供应连接器处，并且由馈送到转换器7的初级侧转换器电压提供。

然而，在图1所示的示例性情况下，不对其进行严格限制，初级侧转换器电压是由二极管整流器12提供的直流电压，整流器12从存在于电流供应连接器处的电网电压产生该直流电压，该电网电压例如可以是经由相导体L和中性导体N提供的交流电压(例如，230VAC)。

在当前情况下，初级侧能量供应10位于整流器12的DC侧。

从图1还可以看出，馈送到辅助电路部分8并从初级侧能量供应获得的电源电压通过传统的Z型二极管14施加到辅助电路部分8的相应电源连接器。

此外，图1中的能量供应单元1具有至少一个次级功率转换器3，其与初级功率转换器2并联连接到电流供应连接器4，以在次级侧23上提供辅助能量。该辅助能量用于向布置在次级功率转换器3的次级侧23上的控制单元5供电。控制单元5通过信息路径9(例如，(多条)信号线、数据总线等)以信息传输的方式电气连接到辅助电路部分8。因此，能够以根据信息路径9上传输的信息的方式控制初级功率转换器2。在此，控制可以直接进行(例如，经由诸如控制路径6等相应的控制线)，或间接进行(例如，经由辅助电路部分8)。

图1所示的能量供应系统1的控制单元5现在被配置为，当能量供应单元1处于能量传输模式时实现转换器7与电流供应连接器4的电气有效连接，并且当能量供应单元1处于与能量传输模式相比具有更少消耗的待机模式时，中断辅助电路部分8的初级侧能量供应10，特别是基本上将其切换为无电流，使得在这种情况下初级侧能量供应10的功耗基本上降为零。例如，控制单元5可以经由控制路径25控制初级侧能量供应10。

应理解的是，控制单元5还可以有利地被配置为，在待机模式下实现转换器7与电流供应连接器4的电气有效断开，以便进一步显著减少电流供应连接器4处的空闲功耗。为此，控制单元5可以使用图1中示例所示的单独的控制路径6(例如，控制线)，该控制路径6优选地直接连接到转换器7。然而，控制单元5还可以通过辅助电路部分8来控制转换器7，也就是说，无需单独的控制路径6，即如在本发明的一般部分中已详细描述的将其与电流供应连接器4电气有效地断开。在此，说明了用于控制或断开转换器7的其他可能性。例如，辅助电路部分8可被配置为选择性地将转换器7与电流供应连接器4电气有效地断开。

在当前情况下，次级功率转换器3被配置为与初级功率转换器2相比消耗显著更低的空载功率，该空载功率例如最大约为500mW，或优选地甚至更少，例如小于约100mW。本发明不严格限于这些具体值，即使它们被认为是特别优选的实施例。

相反，初级功率转换器2被配置为在用电装置连接器21处提供至少100W，优选地至少300W并且甚至更优选地至少500W的电功率。同样，本发明不严格限于这些具体值，即使它们被认为是特别优选的实施例。

在所示的能量供应单元1中，辅助电路部分8可被配置为检测作为操作参数的初级侧转换器电压(即，在整流器12的DC侧上)和/或初级侧能量供应10的电压，且/或检测作为操作参数的流向转换器7和/或流向辅助电路部分8的电流。

此外，从图1中可以看出，辅助电路部分8除了其初级侧能量供应10之外，还具有由次级功率转换器3的辅助能量提供的次级侧能量供应11。此外，这提供的优点特别在于，可以在控制单元5和初级功率转换器2之间插入可靠的电流隔离(隔离部)，但至少将其插入到初级功率转换器2的电网输入侧(即，电流供应连接器4)(图1中未明确示出)。电流隔离可以通过诸如光耦合器或电感耦合装置等合适的隔离装置来实现。

图1还示出了辅助电路部分8的通过其中集成有可控开关元件18(图2)的恒流源15实现的初级侧能量供应10。优选地，开关元件18可以由控制单元5控制。

图2示出了图1中的能量供应单元1的初级侧能量供应10的示例性实施例的电路图。恒流源15基本上具有场效应晶体管16，该场效应晶体管16在当前情况下被配置为耗尽型金属氧化物半导体场效应晶体管，但不严格限于此。另外，恒流源15具有与场效应晶体管16串联连接的电阻器17。

从图2中可以清楚地看出，开关元件18是恒流源15本身的集成部件，并且没有连接在恒流源15的下游或与其串联。这意味着恒流源15包括作为主要部件的开关元件18。这特别可以在场效应晶体管16的栅极连接器处清楚地看到，其从FET 16开始延伸通过电阻器17和开关元件18，并且电气连接到(图2中的下部)能量源10的输出端。

开关元件18基本上仅在两个预定开关状态下有效地操作，即在断开、高电阻的开关状态(断开)和闭合、低电阻的开关状态(闭合)下操作。无论如何，开关元件18本身基本上不参与恒流源15的电流控制(电流强度的控制)。

从图2中可以明显看出，当前情况下的开关元件18是光耦合器，其本身是常规的，其中光耦合器LED 19光学地作用于光耦合器晶体管20。因此，图2示出了能够以电流隔离的方式控制的能量源的示例性结构，该能量源在当前情况下是辅助电路部分8的初级侧能量供应10。

在图2所示的示例性实施例中，Z型二极管24也与开关元件18并联连接。

如果光耦合器LED 19中的电流大小适当，则在导通状态下，光耦合器晶体管20的集电极-发射极部段两端的压降例如约为150mV。该值与电阻器17上的电压降相比是较小的，电阻器17上的电压降可以约为1V至2.5V(取决于所使用的场效应晶体管16的类型)并且同时与流动的电流无关。因此，如果控制光耦合器18，则发生常规已知的恒流源的电流调节行为。然而，如果不控制光耦合器18的LED 19，则光耦合器晶体管20的集电极-发射极部段不导通，并且在该部段上可能下降大约1V至5V，特别是大约2至5V范围内的电压，这导致场效应晶体管16完全阻断并且恒流源15实际上被关断。

有利地，例如在故障的情况下(例如，电阻器17没有电阻值或电阻值过低)，与光耦合器18并联连接的Z型二极管24能够限制光耦合器两端的电压(并且因此也限制场效应晶体管的栅极-源极电压)。

图3示出了根据本发明的能量供应系统30的示例性实施例的电路框图。可以看出，示例性能量供应系统30具有至少一个可充电的储能单元32和根据本文公开的其中一个实施例的能量供应单元1。

图3所示的能量供应系统30例如具有M个电池模块31，每个电池模块又具有至少一个储能单元32，该储能单元32可以由一个或多个电池单元(例如，锂离子电池)形成。

为了给储能单元32充电，可以通过能量供应单元1从可连接到能量供应单元1的能量源(例如，电网)向它们供应电能。为此，能量源电气连接到能量供应单元1的电流供应连接器4。

应理解的是，电池模块31和能量供应单元1可以彼此一体地电气连接。这意味着，不必将用电装置连接器21配置为例如诸如电流供应连接器4等可操作的、可拆卸的插接连接器。

还可以想到的是，如图3中通过以虚线方式标记的能量供应单元1'的扩展所示，用电装置连接器21没有明确地从能量供应单元1引出。在这种实施例中，电池单元32或电池模块31可以集成到能量供应单元1'或能量供应单元1'的转换器7中。为此，转换器7例如可以具有所谓的级联H桥电路，电池单元32以集成方式安装在该级联H桥电路中，并且可以由转换器或H桥电路供电(即，用于充电过程)。

图1以示意性且独立于图3所示的能量供应系统30的方式示出了扩展的能量供应单元1'，其中，仅以象征性的方式理解图1中的储能单元32的布置。相反，如上所述，储能单元32可以在能量供应单元1'中连接到内部用电装置连接器21。例如，至少一个储能单元32可以集成到转换器7中。转换器7例如可以具有所谓的级联H桥电路(未示出)，一个或多个储能单元32可以相应地以集成方式安装到该级联H桥电路中，并且可以通过转换器7利用在电流供应连接器4处供应的电能供电，以用于充电过程。

在给储能单元32充电之后，图3中的能量供应系统30可以特别用于从电池模块31或储能单元32向也可连接到电流供应连接器4的用电装置(未示出)可操作地供应能量。特别优选地，能量供应系统30可被配置为移动或便携式供应系统，但不严格限于此。能量供应系统30还可以是固定供应系统。

特别优选地，由能量供应系统30通过电池模块31提供的能量/电流供应的大小可被确定为使得能够操作高性能的工作机器，该高性能工作机器例如是具有高于1kW电功耗的诸如金刚石钻头、高压清洁器、工业用真空清洁器等。

根据本文公开的本发明的能量供应单元和根据本文公开的本发明的用于操作能量供应单元的方法不限于本文分别说明的实施例，而是还包括具有相同效果的实施例，这些实施例是由本文所述的能量供应单元和方法的特征的技术上可行的进一步组合而产生的。特别地，在不脱离本发明的范围的情况下，上文在一般说明和附图说明中提到的和/或在附图中单独示出的特征和特征的组合不仅可以在本文明确指定的组合中使用，而且还可以在其他组合中使用或单独使用。

附图标记列表

1能量供应单元

2初级功率转换器

3次级功率转换器

4电流供应连接器

5控制单元

6控制路径

7电路部分、转换器

8辅助电路部分

9信息路径

10初级侧能量供应

11次级侧能量供应

12整流器

14Z型二极管

15恒流源

16场效应晶体管(FET)

17电阻器

18光耦合器

19光耦合器LED

20光耦合器晶体管

21用电装置连接器

22初级侧

23次级侧

24Z型二极管

25控制路径

30能量供应系统

31电池模块

32储能单元、电池单元

L相连接

N中性导体连接

M电池模块数量

Claims (16)

1.一种用于从能量源，特别是电网向用电装置(32)供应电能的能量供应单元(1)，其包括：

-电流供应连接器(4)，其用于电气连接所述能量源；

-用电装置连接器(21)，其电气连接待供电的所述用电装置(32)；

-初级功率转换器(2)，其包括用于将能量从所述电流供应连接器(4)转换并传输到所述用电装置连接器(21)的转换器(7)，并且所述初级功率转换器包括辅助电路部分(8)，所述辅助电路部分(8)用于检测所述初级功率转换器(2)的至少一个操作参数和/或用于控制所述转换器(7)，其中，所述辅助电路部分(8)具有由馈送到所述转换器(7)的初级侧转换器电压提供的初级侧能量供应(10)；

-至少一个次级功率转换器(3)，其与所述初级功率转换器(2)并联连接到所述电流供应连接器(4)，以在所述次级侧提供辅助能量；以及

-控制单元(5)，其由所述次级功率转换器(3)提供的所述辅助能量供电，并且通过信息路径以信息传输的方式电气连接到所述辅助电路部分(8)，以便根据所述传输信息控制所述初级功率转换器(2)，

其中，所述控制单元(5)被配置为当所述能量供应单元(1)处于能量传输模式时，实现所述转换器(7)与所述电流供应连接器(4)的电气有效连接，并且向所述辅助电路部分(8)提供所述初级侧能量供应(10)，并且当所述能量供应单元(1)处于与所述能量传输模式相比具有更低功耗的待机模式时，实现所述转换器(7)与所述电流供应连接器(4)的电气有效断开，并且中断所述辅助电路部分(8)的所述初级侧能量供应(10)。

2.根据前述任一项权利要求所述的能量供应单元，其特征在于，

所述次级功率转换器(3)被配置为与所述初级功率转换器(2)相比消耗更低的空载功率。

3.根据前述任一项权利要求所述的能量供应单元，其特征在于，

所述辅助电路部分(8)被配置为选择性地将所述转换器(7)与所述电流供应连接器(4)电气有效地断开。

4.根据前述任一项权利要求所述的能量供应单元，其特征在于，

所述辅助电路部分(8)具有由所述次级功率转换器(3)的所述辅助能量提供的次级侧能量供应(11)。

5.根据前述任一项权利要求所述的能量供应单元，其特征在于，

所述辅助电路部分(8)的所述初级侧能量供应(10)通过集成有可控开关元件(18)的恒流源(15)实现。

6.根据前一权利要求所述的能量供应单元，其特征在于，

所述开关元件(18)是具有光耦合器LED(19)的光耦合器，所述光耦合器LED(19)光学地作用于光耦合器晶体管(20)。

7.根据权利要求6或7所述的能量供给单元，其特征在于，

所述恒流源(15)具有场效应晶体管(16)以及与所述场效应晶体管(16)串联的电阻器(17)，所述场效应晶体管(16)特别是耗尽型金属氧化物半导体场效应晶体管。

8.根据权利要求6至8中任一项所述的能量供给单元，其特征在于，

所述开关元件(18)由所述控制单元(5)控制。

9.根据前述任一项权利要求所述的能量供应单元，其特征在于，

设置有电气连接到所述电流供应连接器(4)的整流器(12)，所述整流器(12)提供所述初级侧转换器电压。

10.根据前述任一项权利要求所述的能量供应单元，其特征在于，

所述控制单元(5)通过相应的隔离装置与所述初级功率转换器(2)或所述电流供应连接器(4)电流隔离。

11.根据前述任一项权利要求所述的能量供应单元，其特征在于，

所述辅助电路部分(8)被配置为检测作为操作参数的所述初级侧转换器电压和/或所述初级侧能量供应(10)的电压，且/或检测作为操作参数的流向所述转换器(7)和/或流向所述辅助电路部分(8)的电流。

12.根据前述任一项权利要求所述的能量供应单元，其特征在于，

所述次级功率转换器(3)消耗的最大空载功率最多为500mW，优选地最多为300mW，并且更优选地最多为100mW。

13.根据前述任一项权利要求所述的能量供应单元，其特征在于，

所述初级功率转换器(2)被配置为在所述用电装置连接器(21)处提供的电功率至少为100W，更优选地至少为300W，并且甚至更优选地至少为500W。

14.根据前述任一项权利要求所述的能量供应单元，其特征在于，

至少一个可充电储能单元(32)电气连接到所述转换器(2)。

15.一种能量供应系统(30)，特别是移动或便携式能量供应系统，其包括至少一个可充电储能单元(32)和根据前述任一项权利要求所述的能量供应单元(1)，其中，为了给所述储能单元(32)充电，能够通过所述能量供应单元(1)从能够连接到所述能量供应单元(1)的能量源，特别是从电网向所述储能单元(32)供电。

16.一种用于操作优选地根据前述权利要求1至14中任一项所述的能量供应单元(1)的方法，所述方法包括以下步骤：

-提供电流供应连接器(4)，能量源，特别是电网电气连接到所述电流供应连接器(4)；

-提供用电装置连接器(21)，由所述能量源供电的用电装置(32)电气连接到所述用电装置连接器(21)；

-提供初级功率转换器(2)，其具有转换器(7)和辅助电路部分(8)，利用所述转换器(7)将能量从所述电流供应连接器(4)转换和传输到所述用电装置连接器(21)，利用所述辅助电路部分(8)检测所述初级功率转换器(2)的至少一个操作参数和/或控制所述转换器(7)，其中，向所述辅助电路部分(8)提供来自馈送到所述转换器(7)的初级侧转换器电压的初级侧能量供应(10)；

-提供至少一个次级功率转换器(3)，其与所述初级功率转换器(2)并联连接到所述电流供应连接器(4)，利用所述次级功率转换器(3)在所述次级侧提供辅助能量；

-提供控制单元(5)，其由所述次级功率转换器(3)提供的所述辅助能量供电，其中，所述初级功率转换器(2)由所述控制单元(5)根据经由信息路径(9)在所述控制单元(5)和所述辅助电路部分(8)之间传输的信息进行控制，

其中，当所述能量供应单元(1)处于能量传输模式时，所述转换器(7)电气有效地连接到所述电流供应连接器(4)，并且所述辅助电路部分(8)提供有所述初级侧能量供应(10)，并且当所述能量供应单元(1)处于与所述能量传输模式相比具有更低功耗的待机模式时，所述转换器(7)与所述电流供应连接器(4)电气有效地断开，并且中断所述辅助电路部分(8)的所述初级侧能量供应(10)。