CN1977438A - 用于对储能器的串联布置的单个单元进行电荷补偿的装置和方法 - Google Patents

用于对储能器的串联布置的单个单元进行电荷补偿的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本文公开了用于对储能器的串联布置的单个单元进行电荷补偿的装置和方法，具有DC/DC转换器，所述DC/DC转换器从所述储能器或者另外的能源取出电能，利用所述能量给中间回路电容器充电，将其电压在DC/AC转换器中进行逆变，并且把该交流电压经由AC总线和耦合电容器借助于整流器转换成脉动直流电流并且用该脉动直流电流给具有最低单元电压的单元充电。

Description

用于对储能器的串联布置的单个单元进行电荷补偿的装置和方法
本发明涉及用于对储能器的串联布置的单个单元、尤其是对如在机动车车载电网中所使用的双层电容器的串联连接的电容器进行电荷补偿的装置和方法。
例如在通过作为电动机工作的集成起动器-发电机对内燃机加速支持(助推)的情况下、或者在再生制动过程中通过作为发电机工作的集成起动器-发电机把动能转换成电能(回收)的情况下，双层电容器已经表明是在机动车车载电网中短期储存并且提供高功率的最适合的技术解决方案。
双层电容器的单个电容器的最大电压限于大约2.5V至3.0V，使得对于例如60V的电压必须把大约20至26个单个电容器串联连接成电容器组，所述60V电压是在42V车载电网中所使用的双层电容器的典型电压值。
由单个单元的不同的自放电所决定，随着时间推移在电容器组中形成一种电荷不平衡，如果不进行电荷补偿，所述电荷不平衡最终会使所述双层电容器不能用。
如果将放电曲线外推到在机动车中重要的从周至月的时间间隔，则存在的问题变得显而易见。图1相对于时间示范性地示出具有18个单元(电容器)的双层电容器(电容器组)的电容器电压的偏差范围(Streubereich)。在图1中所示的偏差宽度(在最大值与最小值之间)表明在电容器组内部单个单元的自放电随着时间可以在多大程度上波动。
然而，如在铅酸蓄电池情况下通过对电容器组稍微过充电的简单电荷补偿在双层电容器的情况下是不可能的。
一种公司内部公知的可能性在于，借助于单独的电子系统(运算放大器和分压器R1/R2)监控每个单个单元的电压，并且在达到或者超过预先给定的最大值Uref的情况下借助于可连接的并联电阻Rbyp引起部分放电(图2)。于是所述单元通过并联电阻Rbyp放电并且其电压UC重新降低至所述最大值以下。如果不超过所述最大值有一个预先确定的电压值，则重新断开所述并联电阻Rbyp。
这种电路在无源状态下消耗很少的电能，然而由于电荷减少(在并联电阻Rbyp中的能耗)而实现电荷补偿。例如在备用供电设备供电时在主要地以接近于所述最大电压方式运行电容器组的情况下合理地使用该变型方案。
然而该构思却局限于以下方面，即进入所述电容器组中充电电流必须小于电荷补偿电路的放电电流，因为否则仍然不能够防止在对模块充电时单个电容器的过充电。此外所述补偿系统不能够从外部被接入，而是只能够通过超过所述预先确定的电压阈值被激活。然而在机动车中运行时不经过较长的时间就刚好达到该状态。这样设计的电荷补偿在长期内导致所述电容器组中的不对称。这已经能够通过在实验汽车中的测量得以证明。
总而言之，这样一种电路装置具有以下的缺点：
-当一个单元已经超过了所述最大电压(例如UC＞2.5V)时对上级的运行没有响应，
-对于单元电压是否大小相同并且因此所述电容组是否被补偿没有响应，
-只有在超过所述最大电压时才激活所述补偿。
-在补偿过程中能量被电阻转换成热，
-在如在前文说明的汽车功能“回收(再生性制动)”时出现的高达约1kA的高电流情况下，这样建立的电荷补偿是不可能的。
从EP 0 432 693 B2公知，在串联连接的蓄电池的一种变型方案情况下在弱充电的蓄电池与其余蓄电池的组之间引起电荷补偿，其方式是为该蓄电池组的每个蓄电池设置比较电路和充电电路(所述充电电路具有矩形函数发生器)以及二极管、变压器和断路器。
借助于作为根据回扫转换器原理的回扫转换器工作的这样一种装置(图3)从整个组取得能量并且接着将所述能量回馈到放电最多的蓄电池中。
这种耗费对于两个或者三个蓄电池可能是公平的，但是对于由二十个或者更多的蓄电池/电容器单元组成的组而言耗费却明显过高。
作为替代方案，这里还可以采用另一种能源(例如附加的电池)，由此所述电路可以附加地用于对所述电容器组缓慢充电，参阅DE 102 56 704 B3。
此外这种形式的电荷补偿还可以与达到单个电容器的最大电压无关地在任何时间进行，使得在电容器组中完全不会形成危险的电荷不平衡。
在此电荷只是被移动。能量长期地不被从所述组取出或者不被转换成热。这使得该构思对于机动车应用特别地有吸引力，因为在较长的汽车停车状态之后在车载电网中也必须有足够的能量以可靠地保证成功的电动机起动。
然而这该实施方式的情况下的缺点是，在回扫变压器的次级侧需要非常多的端子。在对于42V车载电网所需要的例如具有25个单个单元的电容器组的情况下，由此得出50个端子。这在技术实现中使得要求在商业上通常不可用的特定的线圈体。此外，在组中的单元数的每个改变都需要所述变压器的一种匹配。然而这是可期待的，因为随着双层电容器的在技术上的进一步发展允许的最大电压一代一代地上升并且在给定的模块电压的情况下需要相应较少的单个电容器。
从所述变压器向所述电容器单元的布线也是耗费的，因为在组中的每个接触都必须单独地被连接。在上例中，只要在所述变压器上布置有整流二极管，则这得出26个线路；在其它的情况下是50个线路。此外这些线路上被加载由回扫转换器的开关过程所产生的高频电压脉冲并且需要分开的EMV抗干扰措施。
另一个方面是运行所述回扫转换器的方法。市场上惯用的控制电路(开关调节器IC)几乎只用一种固定的开关频率工作。磁存储器(存储器电感或者存储变压器)的充电在时钟的一个阶段中进行，而向输出回路中的放电或者说能量传输在所述时钟的另一阶段中进行。如果除了交变的电流以外还一起传输直流部分(无间隙式运行)，则这首先是适合的。一般试图避免开关间隙、也就是磁性存储元件保持完全放电的时间间隔，因为于是在增强的程度上出现振荡倾向，并且未理想地利用磁芯的存储特性。所述振荡是由谐振回路引起的，所述谐振回路由存储器电感和线圈电容组成，以及由以下事实引起，即所述谐振回路在开关间隙开始时被激励并且通过非欧姆性负载被阻尼。
然而在该应用情况下无间隙式运行是不可能的，因为在对磁存储器连续再充电的情况下分别在其完全放电以前不可避免磁芯材料的饱和。
本发明的任务是，实现具有简化结构的装置，借助于所述装置可以以很低的技术耗费达到用于在串联连接的各个单元之间电荷补偿的自控运行。
本发明的任务还实现一种运行这样的装置的方法。
根据本发明，所述任务通过根据权利要求1所述特征的装置和根据权利要求11所述特征的用于运行所述装置的方法来解决。
在至少两个串联连接的储能器(单元)的情况下通过交流电压总线(AC总线)分别向其上有最低的单元电压降的单元输送用于补偿所存储的电荷所需要的能量。
本发明的有利改进由从属权利要求中得出。
根据本发明，所述单元的连接和电位分隔通过电容器进行。
安装可以通过总线系统简单地进行。各个单元通过一个或者两个AC总线线路供电。对于电路只需要少量的并且价格低廉的部件。所述部件基本上是标准部件。
补偿过程可以在任何时间被激活。该激活例如可以通过控制装置进行，所述控制装置根据机动车、尤其是内燃机和/或起动器-发电机的运行参数确定激活时刻。
通过所述补偿电路可以进行所述电容器的再充电。以此方式可以从另一能源重新给空单元的串联电路充电，并且如此例如可以使较长时间停车的机动车重新能够起动。
可以简单地扩展并且由此容易地标度整个系统。
所述电路装置以特别的方式适用于集成在储能器的串联连接的单元的组中和/或集成在单个单元的或者整个储能器的壳体中。
作为储能器，这里尤其适合的是双层电容器、也被称超级电容器或者超电容器(Super-或者Ultra-Cap)。
下面借助于一个示意图详细地说明根据本发明的实施例。在附图中：
图1相对于时间示出双层电容器的不同单元的电容器电压的偏差，
图2示出在储能器的情况下用于实现电荷补偿的一种公知的电路装置，
图3示出在储能器的情况下用于实现电荷补偿的另一种公知的电路装置，
图4示出如本发明所述的电荷补偿电路的方框图，
图5示出电荷补偿电路的一个实施例，并且
图6示出电荷补偿电路的另一实施例。
图1至图3在前文已经得以说明。
如本发明所述的用于对储能器的单元电荷补偿的原理电路的方框图在图4中示出。通过第一转换器1产生直流电压。该直流电压通过第二转换器2以例如50kHz的脉冲频率被逆变，并且用该交流电压对AC总线4加载。这里导线(缆线、铜母线等等)的系统被称为总线。
在该总线4上通过分别一个耦合电容器和一个整流器3连接双层电容器DLC的串联连接的单元Z1至Zn。所述耦合电容器CK被用于电位分离并且部分地由所述交流电压再充电。
图5示出如本发明所述的用于对双层电容器DLC的单元Z1至Zn进行电荷补偿的电路装置的第一实施例。经由双层电容器DLC的各个单元Z1至Zn的串联电路下降的电压UDLC通过第一开关S1被输送给DC/DC电压转换器1(例如电流调节的降压转换器(Tiefsetzsteller)1)。通过第二开关S2可以附加地或者或可替代地把能源(例如蓄电池B)与所述DC/DC电压转换器1连接。
DC/DC电压转换器1又与DC/AC电压转换器2的一个输入端电连接，所述DC/AC电压转换器在该实施例中具有中间回路电容器CZ和两个接成为半桥的晶体管T1和T2。所述中间回路电容器CZ或者可以经开关S1由双层电容器DLC充电或者可以经开关S2由蓄电池B充电。该DC/AC电压转换器2的处于两个晶体管T1和T2之间的输出端与AC总线4连接，所述AC总线又分别具有针对其所分配的单元Z1至Zn的耦合电容器CK1至CKn。
在每个耦合电容器CKx(x＝1...n)与其所分配的单元Zx之间布置有整流器3，这里所述整流器分别由两个二极管Dxa、Dxb组成。二极管Dxa分别把耦合电容器CKx的背离AC总线4的端子与所分配的单元Zx的具有较高电位的端子(简称为“正端子”)连接，而二极管Dxb把该端子与该所分配的单元Zx的具有较低电位的端子(简称为“负端子”)连接。
在此二极管Dxa从耦合电容器CKx向单元Zx的正端子沿导通方向被极化，而二极管Dxb从单元Zx的负端子向耦合电容器CKx沿导通方向被极化。
在该实施例中由半桥T1、T2组成的DC/AC电压转换器2在其处于两个晶体管T1和T2之间的输出端上提供矩形交流电压，所述矩形交流电压可以通过耦合电容器CK1至CKn被输送给各个单元Z1至Zn。
对于耦合电容器可以采用各种电容器类型。然而必须使电容器的容量、频率和内损耗电阻互相协调。失调会导致所述耦合电容器的过大的再充电并且从而持久地使补偿电路的选择性和分离精度变差。
通过进行连接的整流器3(二极管D1a、D1b至Dna、Dnb)对所述电流重新整流并且作为充电电流供给单元Z1至Zn。
为了能够在双层电容器DLC的串联连接的电容器单元Z1至Zn上实现电荷补偿，必须从具有最高电压的那些单元Z1至Zn取出能量并且如此又供给在其上有最低电压的单元，使得对这些单元充电。
所述电路可以划分成三个分电路。第一部分是电流源，所述电流源有利地被实施成DC/DC开关调节器1。在电荷补偿时，能量来自双层电容器DLC本身，或者在充电过程中，来自第二能源(例如蓄电池B)。该能量被输送给第二分电路的中间回路电容器CZ。对于DC/DC开关调节器1可以考虑所有公知的变型方案；有利的是作为由晶体管、扼流器和自振荡二极管(图中未示出)组成的降压开关调节器。
第二分电路2除了所述中间回路电容器CZ以外还有桥式电路，在此是由两个晶体管T1、T1组成的半桥，所述桥式电路从所述中间回路电容器CK馈电，并且其输出端通过AC总线4被引导至所有的耦合电容器CK1至CKn上。该第二分电路相对于基准电位GND(接地)产生交流电压。
每个单元Z1至Zn各有第三分电路、即整流器3。该整流器把交流电流转换成流过所述单元的脉动直流电流。
针对单元Zx(其中x＝1至n)举例地说明所述电荷补偿的过程，在该实施例中所述单元Zx应该具有最低的单元电压UZx。
耦合电容器CKx在交流电压信号的负相位中(晶体管T2导通)通过下面的二极管Dxb(扣除二极管Dxb的导通电压)被充电至单元Zx的(在该单元的负端子上的)低电位。
如果所述交流电压信号接着把所述电位在足够广的程度上提高(晶体管T1导通)，则电流从中间回路电容器CZ经由晶体管T1、AC总线4、耦合电容器CKx和二极管Dxa流过单元Zx和所有其正端子与要充电的单元Zx的正端子相比具有对基准电位GND更低电位的单元(这里也就是单元Zx+1至Zn)，然后从那里流回中间回路电容器CZ。
在交流电压信号的接下来的负相位中(晶体管T2重新导通)，电流沿相反的方向流经其正端子与要充电的单元Zx的正端子相比具有对基准电位GND更低电位的单元(也就是单元Zn至Zx+1)并且现在流经二极管Dxb和耦合电容器CKx。该电流回路通过AC总线4和导通的晶体管T2闭合。
于是在单元Zx中出现脉动充电直流电流，而其正端子具有对基准电位GND较低电位的所有单元Zx+1至Zn经受交流电流。
所述脉动直流电流只能流入具有最低单元电压UZx的单元Zx并且然后首先对该单元充电如此长时间，直至该单元已经达到另一单元的下一较高的单元电压为止。然后该脉动直流电流在这两个单元上分配，直到所述单元已经达到具有然后下一较高的单元电压的单元为止，依此类推。以此方式实现对整个电容器组、也就是说所述双层电容器DLC的所有单元的电荷补偿。
对双层电容器DLC的相应的单元Zx充电所用的能量来自中间回路电容器CZ，所述中间回路电容器一方面通过所述载荷和另一方面通过恒定的再充电自动地调节到适当的电压UCZ。在此还自动地得出，在其上有最低电压降的单元得到最多的能量，而在其上当前较高单元电压降的单元(这里是Z1至Zx-1和Zx+1至Zn)根本不得到能量。
在此高品质的高容量耦荷电容器和具有低导通电压的二极管尤其适用。
如本发明所述的电路具有以下的功能组：
-给半桥2馈电的电流调节的降压转换器1，
-自时钟(selbstgetaktet)半桥2，
-在其上连接有用于耦合输出能量的各个单元的AC总线，
-用于电位分离和能量传输的耦合电容器CK1至CKn，和
-具有二极管D1a、D1b至Dna、Dnb的用于整流所述交流电流的整流器3，所述交流电流给分别具有最低电压的单元充电。
图6示出如本发明所述的电路装置的另一实施例，所述电路装置在两相变型方案中具有全桥和(Graetz(格列茨))整流器。这里单元Zx也是具有最低单元电压UZx的单元。
这里功能相同的部分具有与由图5中相同的附图标记。
具有两相的实施例的电路与具有半桥和一相的如前面说明的并且在图5中所示的实施例的电路类似地工作。但是，这里得出一定的优点，这些优点必须相对额外耗费被复核。
如图6所示的实施例包括具有两个半桥的全桥电路作为DC/AC电压转换器2，所述半桥由第一和第二晶体管T1-T2或者第三和第四晶体管T3-T4组成，所述半桥与各一个总线线路4.1、4.2连接。通过其所分配的半桥对每个总线线路馈给能量。
总线线路4.1通过分别一个耦合电容器CK1a至CKna、和一个由分别两个二极管D1a、D1b至Dna、Dnb组成的整流电路与串联连接的单元Z1至Zn连接。
总线线路4.2通过分别一个耦合电容器CK1b至CKnb、和一个分别由两个二极管D1c、D1d至Dnc、Dnd组成的整流电路3与串联连接的单元Z1至Zn连接。
例如这对于单元Zx意味着：与半桥T1-T2连接的总线线路4.1通过耦合电容器CKxa一方面通过向单元导通的二极管Dxa与单元Zx的正端子连接，并且另一方面通过向耦合电容器导通的二极管Dxb与单元Zx的负端子连接。
另外与半桥T3-T4连接的总线4.2通过耦合电容器CKxb一方面通过向单元导通的二极管Dxc与单元Zx的正端子连接，并且另一方面通过向耦合电容器导通的二极管Dxd与单元Zx的负端子连接。
于是两个整流器Dxa、Dxb和Dxc、Dxd与单元Zx并联地工作。对所有其它的单元Z1至Zx-1和Zx+1至Zn的电路看起来是同样的。
在此在两相的情况下基本优点是，取消了流过原本不参与的、当前不充电的单元(这里也即流过单元Zx+1至Zn)的交流电流，所述单元也就是与单元Zx相比其正端子具有对基准电压GND较低的电位、但是具有较高单元电压UZ的所有单元。
在该实施例中，这两个半桥反相工作，也就是说，如果晶体管T1和T4在第一相位中导通，则晶体管T2和T3不导通；在第二相位中则相反：这里晶体管T2和T3导通，而晶体管T1和T4不导通。
在所述第一相位中电流从中间回路电容器CZ经由晶体管T1流入总线4.1中，经由耦合电容器CKxa和二极管Dxa流过单元Zx并且经由二极管Dxd、耦合电容器CKxb、总线4.2和晶体管T4流回中间回路电容器CZ。
在所述第二相位中电流从中间回路电容器CZ经由晶体管T3流入总线4.2中，经由耦合电容器CKxb和二极管Dxc流过单元Zx并且经由二极管Dxb、耦合电容器CKxa、总线4.1和晶体管T2流回中间回路电容器CZ。
耦合电容器CKxa的补充充电电流与另一耦合电容器CKxb的放电电流补偿。
通过降压转换器1从由串联连接的各个单元Z组成的整个电容器组、也就是双层电容器DLC中取得能量。选择性地还可以通过附加的开关S2对系统供应能量。
在相应的AC总线上的电压上升直到所述电压对应于最低单元电压加上一个二极管电压(根据图5的实施例)或者加上两个二极管电压(根据图6的实施例)。由此达到对最强烈放电的单元的非常有效的再充电。
整个电路不需要复杂的、昂贵的单个部件。
通过AC总线4或者4.1和4.2的结构，可以轻易扩展所述系统。附加的储能器Zn+1可以简单地被连接到所述总线上，或者多余的被去除。
所述电荷补偿电路还可以被用于对其它储能器(例如对串联连接的蓄电池)进行电荷补偿。
所述电路装置(DLC、整流二极管、耦合电容器和一个/多个总线)既可以集成在包围单个单元的壳体中也可以集成在公有壳体中。以此方式可以构建只有三个或者四个端子的紧凑型单元。

Claims (13)

1.用于对储能器(DLC)的串联布置的单个单元(Z1至Zn)进行电荷补偿的装置，其特征在于，
设有DC/DC转换器(1)，所述DC/DC转换器经由第一开关(S1)与所述储能器(DLC)的端子连接，
设有连接在DC/DC转换器(1)之后的DC/AC转换器(2)，所述DC/AC转换器包含中间回路电容器(CZ)和桥式电路(T1至T4)，
设有连接在DC/AC转换器(2)之后的至少一个AC总线(4、4.1、4.2)，并且
在每个单元(Z1至Zn)与每个总线(4、4.1、4.2)之间布置至少一个耦合电容器(CK1至CKn、CK1a和CKab至CKna和CKnb)和整流器(3)的串联电路。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，如此地构造整流器(3)，使得二极管(Dxa、Dxc)从耦合电容器(CKx、CKxa、CKxb，其中x＝1至n)的背离AC总线(4、4.1、4.2)的端子向所分配的单元(Zx)的正端子导通，并且另外的二极管(Dxb、Dxd)从单元(Zx)的负端子向所分配的耦合电容器(CKx、CKxa、CKxb)的背离AC总线(4、4.1、4.2)的端子导通。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，DC/DC转换器(1)可通过第二开关(S2)与另外的能源(B)连接。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，DC/DC转换器(1)是电流调节的降压转换器。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，DC/AC转换器(2)的桥式电路被构造为具有与中间回路电容器(CZ)并联的两个串联晶体管(T1、T2)的单相半桥。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，DC/AC转换器(2)的桥式电路以多相方式构造，其中每相作为半桥由两个串联的晶体管(T1-T2、T3-T4)组成，所述半桥与中间回路电容器(CZ)并联。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述储能器(DLC)是双层电容器。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述储能器(DLC)由蓄电池的串联电路组成。
9.如权利要求5或6所述的装置，其特征在于，DC/AC转换器(2)的桥式电路是自时钟的。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，储能器(DLC)、整流器(3)、耦合电容器(CK1至CKn、CK1a至CKnb)和AC总线(4、4.1、4.2)集成在公有壳体中。
11.用于运行如权利要求1所述的装置的方法，其特征在于，由储能器(DLC)或者另外的能源(B)馈电的DC/DC转换器(1)向中间回路电容器(CZ)输送电流，由此在所述中间回路电容器上单独地出现电压(UCZ)以对单元(Z1至Zn)充电，并且
DC/AC转换器(2)对该电压(UCZ)进行逆变并且经由所述一个或者多个AC总线(4、4.1、4.2)、所分配的耦合电容器(CK1至CKn、CK1a至CKnd)和整流器(3)的二极管(D1a至Dnd)向具有最低单元电压(UZx)的单元(Zx)输送经整流的脉动充电电流。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，在单相DC/AC转换器(2)的情况下对于具有最低单元电压(UZx)的单元(Zx，x＝1至n)的充电电流在正相位中从中间回路电容器(CZ)经由导通的第一晶体管(T1)、AC总线(4)、耦合电容器(CKx)、二极管(Dxa)流向单元(Zx)，并且从那里经由其正端子与要充电的单元(Zx)的正端子相比具有对基准电位(GND)更低的电位的所有单元(Zx+1至Zn)并且经由基准电位(GND)流回中间回路电容器(CZ)，并且
在接下来的负相位中沿相反的方向从现在导通的第二晶体管(T2)通过其正端子与要充电的单元(Zx)的正端子相比具有对基准电位(GND)更低的电位的单元(Zn至Zx+1)、二极管(Dxb)、耦合电容器(CKx)和AC总线(4)流回第二晶体管(T2)。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，在多相DC/AC转换器(2)的情况下对于具有最低单元电压(UZx)的单元(Zx，其中x＝1至n)的充电电流在第一相位中从中间回路电容器(CZ)经由第一晶体管(T1)、第一AC总线(4.1)、耦合电容器(CKxa)和二极管(Dxa)流过单元(Zx)，并且经由二极管(Dxd)、耦合电容器(CKxb)、第二AC总线(4.2)和第四晶体管(T4)流回中间回路电容器(CZ)，并且
在第二相位中从中间回路电容器(CZ)经由第三晶体管(T3)、AC总线(4.2)、耦合电容器(CKxb)和二极管(Dxc)流过单元(Zx)并且经由二极管(Dxb)、耦合电容器(CKxa)、AC总线(4.1)、和第二晶体管(T2)流回中间回路电容器(CZ)。
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