專利名稱：用于為儲能器充電的系統(tǒng)和用于運行充電系統(tǒng)的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于為儲能器充電的系統(tǒng)和一種用于運行充電系統(tǒng)的方法。
背景技術：
呈現出，在未來既在例如風力發(fā)電設備的靜止應用中也在如混合動力車輛或電動車輛的車輛中越來越多地采用將新的儲能技術與電驅動技術相組合的電子系統(tǒng)。在常規(guī)應用中，例如實施為感應式電機的電機經由逆變器形式的變換器被控制。對于這種系統(tǒng)表征性的是所謂的直流電壓中間回路，儲能器、一般是電池經由該直流電壓中間回路連接到逆變器的直流電壓側。為了能夠滿足針對相應的應用所給出的對功率和能量的要求，將多個電池單元串聯。因為由這種儲能器提供的電流必須流經所有的電池單元并且一個電池單元僅能傳導有限的電流，所以常常附加地并聯電池單元，以便提高最大電流。多個電池單元的串聯除了高的總電壓以外隨之帶來如下問題，即當唯一的電池單元失靈時，整個儲能器失靈，因為于是電池電流不再能夠流動。儲能器的這種失靈可以導致總系統(tǒng)的失靈。在車輛情況下，驅動電池的失靈可能導致車輛“卡住”。在其他應用中，例如風力發(fā)電設備的轉子葉片調整，可能在不利的框架條件、例如強風的情況下甚至發(fā)生危及安全的狀況。因此應始終致力于儲能器的高可靠性，其中用“可靠性”來表示系統(tǒng)在預先給定的時間內無故障工作的能力。在優(yōu)先的申請DE 10 2010 027857和DE 10 2010 027861中描述了一種具有多個電池模塊支路的電池，所述電池可直接連接到電機上。電池模塊支路在此具有多個串聯的電池模塊，其中每個電池模塊具有至少一個電池單元和所分配的可控的耦合單元，該耦合單元允許根據控制信號中斷相應的電池模塊支路或者跨接分別所分配的(至少一個)電池單元或者將分別所分配的(至少一個)電池單元接到相應的電池模塊支路中。通過例如借助于脈寬調制適當地操控這些耦合單元，還可以提供用于控制電機的適當的相信號，使得可以放棄單獨的脈沖逆變器?？刂齐姍C所需的脈沖逆變器因此可以說被集成到電池中。出于公開的目的，這兩個優(yōu)先的申請全面地結合到本申請中。

發(fā)明內容
本發(fā)明提出一種用于對可控的儲能器中的至少一個儲能器單元充電的系統(tǒng)，所述儲能器用于對η相電機進行控制和電能量供給，其中η > I。在此，可控的儲能器具有η個并行的能量供給分支，所述能量供給分支分別具有至少兩個串聯的儲能器模塊，所述儲能器模塊分別包括至少一個具有所分配的可控的耦合單元的電儲能器單元。所述耦合單元根據控制信號要么中斷能量供給分支，要么所述耦合單元跨接分別所分配的儲能器單元，要么所述耦合單元將分別所分配的儲能器單元接到能量供給分支中。所有的能量供給分支能經由至少一個電感和整流器單元與外部能量供給網絡、尤其是公共的交變電流網絡或者交流電網連接。此外，參考匯流排能與整流器單元連接。本發(fā)明還提出一種用于運行根據本發(fā)明的充電系統(tǒng)的方法。在此，所有的能量供給分支經由至少一個電感和整流器單元與外部能量供給網絡、尤其是公共的電網連接，并且參考匯流排與整流器單元連接。在充電階段中，處于要充電的儲能器單元的能量供給分支中的儲能器模塊的所有耦合單元被控制為，使得分別所分配的儲能器單元被跨接。在充電階段后面的空轉階段中，分配給要充電的儲能器單元的所有耦合單元被控制為，使得所分配的儲能器單元被接到相應的能量供給分支中。處于要充電的儲能器單元的能量供給分支中的、但是本身并不分配給要充電的儲能器單元的所有耦合單元被控制為，使得分別所分配的儲能器單元被跨接。本發(fā)明的優(yōu)點
為了遵守EMV標準(EMV =電磁兼容性)，對于充電設備來說需要使用功率因數修
正-經常也被稱為Power Factor Correction (功率因數修正)或者Power Factor
CompenSation(PFC，功率因數補償)。該功率因數修正借助于功率開關按照正弦形的變化曲線調節(jié)所接收的網絡電流并且在此使其諧波含量最小化。此外也可以均衡網絡電壓波動。PFC電路的典型實現包括橋式整流器以及隨后的升壓調節(jié)器級，如圖1中所示那樣。本發(fā)明基于的基本構思是，將可控的儲能器的本來存在的耦合單元用于實現具有功率因數修正的充電功能。這通過如下方式實現，即在充電過程期間與升壓調節(jié)器的開關元件類似地運行耦合單元，其中能量在充電階段被輸送給至少一個電感并且在那里被存儲，所述能量接著在空轉階段被輸出給要充電的儲能器單元。在此對于所需的空轉二極管僅產生最小的附加硬件耗費，這隨之而來的是小的成本和小的位置需求。利用根據本發(fā)明的系統(tǒng)和方法可以實現對單個儲能器模塊的儲能器單元的充電以及同時對多個儲能器模塊的儲能器單元的充電。在多相電機的情況下，處于不同能量供給分支中的儲能器模塊的儲能器單元也可以被同時充電。有利地，也可以一起使用電機的定子繞組形式的發(fā)動機電感來實現具有功率因數修正的充電功能。這可以通過如下方式實現，即定子繞組在充電過程期間用作為升壓調節(jié)器的電感。相應地，本發(fā)明的實施方式規(guī)定，能量供給分支在一側可與參考電勢——以下稱為參考匯流排一連接并且在另一側可分別與電機的相連接，并且至少一個電感至少部分地由電機的定子繞組構成。但是在一起使用電機的發(fā)動機電感的情況下適于在充電過程期間避免電機中的不期望力矩的建立。這可以通過如下方式實現，即電機在充電過程期間例如借助于傳動系止動爪(Getriebesperrklinke)以機械方式被閉鎖?？商娲?，電機的轉子位置也可以例如借助于相應的傳感器系統(tǒng)被監(jiān)視，并且在探測到轉子運動的情況下被關斷。如果電機的相以星形線路相互接線，則根據本發(fā)明的實施方式規(guī)定，整流器單元包括一個整流器、尤其是二極管整流器并且電機的相的星形點可與整流器連接。如果電機的定子繞組的電感不夠，則可以在整流器與電機的星形點之間接入附加的充電電感。而如果電機的相以η角線路相互接線，則根據本發(fā)明的實施方式規(guī)定，整流器單元包括η個整流器、尤其是二極管整流器，并且電機的每個相可分別與整流器連接。在該情況下，如果電機的定子繞組的電感不夠，也可以設置附加的充電電感，其中電機的相可分別經由附加的充電電感分別與整流器連接。為了進一步改善EMV，根據本發(fā)明的另一實施方式，可以在整流器單元與外部能量供給網絡之間接入網絡濾波器。本發(fā)明的實施方式的其他特征和優(yōu)點參考附圖從隨后的描述中得出。


圖1示出PFC電路的示意圖，
圖2示出在從單相能量供給網絡的充電階段中本發(fā)明充電系統(tǒng)的示意圖，
圖3示出在空轉階段中根據圖2的充電系統(tǒng)，
圖4示出在從三相能量供給網絡(具有星形線路的電機)充電時本發(fā)明充電系統(tǒng)的示意性原理圖，以及
圖5示出在從三相能量供給網絡(具有三角線路的電機)充電時本發(fā)明充電系統(tǒng)的示意性原理圖。
具體實施例方式圖2和3示出本發(fā)明充電系統(tǒng)的示意圖?？煽氐膬δ芷?連接到三相電機I上?？煽氐膬δ芷?包括三個能量供給分支3 — 1、3 — 2和3 — 3，這些能量供給分支在一側與在所示實施方式中弓I導低電勢的參考電勢T-(參考匯流排)連接，并且在另一側分別與電機I的各個相U、V、W連接。這些能量供給分支3 — 1、3 — 2和3 — 3中的每一個具有m個串聯的儲能器模塊4 — 11至4 — Im或4 — 21至4 — 2m或4 — 31至4 — 3m,其中m彡2。儲能器模塊4又分別包括多個串聯的電儲能器單元，其出于清楚的原因僅在與電機I的相W連接的能量供給分支3 - 3中配備附圖標記5 — 31至5 — 3m。儲能器模塊4此外分別包括耦合單元，該耦合單元被分配給相應的儲能器模塊4的儲能器單元5。出于清楚的原因，率禹合單元也僅在能量供給分支3 — 3中配備附圖標記6 — 31至6 — 3m。在所示的實施變型方案中，耦合單元6分別通過兩個可控的開關元件7 — 311和7 — 312至7 — 3ml和7 —3m2構成。開關元件在此可以實施為例如IGBT (絕緣柵雙極晶體管)形式的功率半導體開關或者實施為MOSFET (金屬氧化物半導體場效應晶體管)。耦合單元6使得能夠通過斷開耦合單元6的兩個開關元件7來中斷相應的能量供給分支3?？商娲?，儲能器單元5可以通過分別閉合耦合單元6的開關元件7之一、例如通過閉合開關7 — 311要么被跨接，要么例如通過閉合開關7 - 312被接到相應的能量供給分支3中。能量供給分支3 — I至3 — 3的總輸出電壓通過耦合單元6的可控的開關元件7的相應開關狀態(tài)被確定并且可以分級地被調整。分級在此根據各個儲能器模塊4的電壓得出。如果從類似地構造的儲能器模塊4的優(yōu)選實施方式出發(fā)，則從單個儲能器模塊4的電壓乘以每能量供給分支串聯的儲能器模塊4的數量m中得出最大可能的總輸出電壓。耦合單元6因此允許，將電機I的相U、V、W要么接到高的參考電勢上要么接到低的參考電勢上并且就此而言也可以履行已知的逆變器的功能。因此可以通過可控的儲能器2在適當地操控耦合單元6的情況下控制電機I的功率和運行方式。也就是就此而言，可控的儲能器2履行雙重功 能，因為其一方面用于電能量供給，而另一方面也用于電機I的控制。電機I具有定子繞組8 — U、8 — V和8 — W，這些定子繞組在所示的實施例中以星形線路相互接線。電機I在所示的實施例中實施為三相交流電機，但是也可以具有小于或者多于三個的相。可控的儲能器2中的能量供給分支3的數目當然也視電機的相數而定。在所示的實施例中，每個儲能器模塊4分別具有多個串聯的儲能器單元5。但是，所述儲能器模塊4也可以替代地分別具有僅僅一個唯一的儲能器單元或者也可以具有并聯的儲能器單元。在所示的實施例中，耦合單元6分別由兩個可控的開關元件7構成。但是，耦合單元6也可以由或多或少的可控的開關元件實現，只要能實現所需的功能(中斷能量供給分支、跨接能量供給單元以及將能量供給單元接到能量供給分支中)。耦合單元的示例性的替代的構型從優(yōu)先的申請DE XX和DE YY中得出。但是此外也可設想的是，耦合單元具有全橋電路中的開關元件，這在儲能器模塊的輸出端處提供了電壓極性變換的附加可能性。為了使得能夠為一個或多個儲能器模塊4的儲能器單元5充電，電機I的星形點S經由附加的充電電感9與整流器單元10連接。此外，參考匯流排T-與該整流器單元10連接。應當指出，附加的充電電感9對于本發(fā)明的可應用性不是必需的，并且僅當定子繞組8 — U、8 — V和8 — W的電感不足以實現充電功能或者所需的功率因數修正時才可以被使用。整流器單元10在所示的實施例中示例性地包括B2電路形式的二極管整流器11。該二極管整流器11可經由本身已知的網絡濾波器12連接到未示出的單相外部能量供給網絡、尤其是公共的(交變)電網。以下示范性地描述單個儲能器模塊4的儲能器單元5、即能量供給分支3 — 3中的儲能器模塊4 一 3m的儲能器單元5 — 3m的充電過程。在圖1中所示的充電階段期間，處于能量供給分支3 — 3中(其中要充電的儲能器單元5 — 3m也處于該能量供給分支3 — 3中)的儲能器模塊4 一 31至4 一 3m的稱合單元6 — 31至6 — 3m由未示出的控制單元控制為，使得分別所分配的儲能器單元5 — 31至5 - 3m被跨接。這具體地通過如下方式實現，即開關元件7 — 311至7 — 3ml閉合，而開關元件7 — 312至7 — 3m2斷開。所有其余的耦合單元6、即其他兩個能量供給分支3 — I和3 - 2的儲能器模塊4中的所有耦合單元6同樣被控制為，使得分別所分配的儲能器單元5 — 31至5 — 3m被跨接。對不包括要充電的儲能器單元5的能量供給分支3 — I和3 —2中的耦合單元6的這種控制是有意義的，以便原則上也針對這些儲能器單元實現充電選項。但是應當指出，不包括要充電的儲能器單元5的能量供給分支3 — I和3 — 2中的耦合單元6也可以以其他方式被操控，尤其是被操控為，使得相應的能量供給分支3 — I和/或3 — 2被中斷。對要充電的儲能器單元5 — 3m也處在的能量供給分支3 — 3中的儲能器單元5 —31至5 — 3m的跨接引起電流流經附加的充電電感9和定子繞組8 — W，使得在充電階段期間電能被存儲在附加的充電電感9和定子繞組8 — W中。在充電階段后面的在圖3中所示的空轉階段中，分配給要充電的儲能器單元5 -3m的耦合單元6 — 3m被控制為，使得所分配的儲能器單元5 — 31被接到能量供給分支3 —3中。這具體地通過如下方式實現，即開關元件7 - 3m2閉合并且開關元件7 — 3ml斷開。處于要充電的儲能器單元5 - 31的能量供給分支3 - 3中的所有其余的耦合單元6 — 32至6 - 3m—但是這些耦合單元本身并不分配給要充電的儲能器單元5—被控制為，使得分別所分配的儲能器單元被跨接(閉合開關元件7 — 311至7 — 3 (m — I) I并且斷開開關元件7 — 312至7 — 3 (m—l)2)。所有其余的耦合單元6、即其他兩個能量供給分支3 — I和3 — 2的儲能器模塊4中的所有耦合單元6被控制為，使得相應的能量供給分支3 — I或3 — 2被中斷。這具體地通過如下方式實現，即耦合單元6的分別兩個開關元件7斷開。對耦合單元6 — 31至6 — 3m的這種控制引起附加的充電電感9和定子繞組8 一W與要充電的儲能器單元5 - 3m的電連接。該附加的充電電感9和定子繞組8 — W的電感在此繼續(xù)驅動電流并且通過這種方式對儲能器單元5 — 3m充電。在圖2和3中所示的實施方式中，定子繞組8 — U、8 — V和8 — W的電感作為功率因數修正的電感被一起使用。耦合單元6在此承擔實現功率因數修正所需的對所接收的網絡電流的控制，其方式是以適當的占空比操控耦合單元6。因為功率因數修正的功能原則上是已知的，因此在此處對其將不進一步闡述。為了在充電運行期間避免產生電機I中的不期望的力矩，電機I可以在充電過程期間以機械方式被閉鎖，例如借助于傳動系止動爪?？商娲?，電機I的轉子位置也可以例如借助于相應的傳感器系統(tǒng)被監(jiān)視，并且在探測到轉子運動的情況下被關斷。替代于所示的實施方式，功率因數修正所需的電感也可以在不使用定子繞組8 —
u、8 — V和8 — W的情況下僅僅由外部的充電電感、例如附加的充電電感9構成。圖4和5示出在從三相能量供給網絡充電時本發(fā)明充電系統(tǒng)的示例性的示意性原理圖。在此，根據圖4的電機的定子繞組8 — U、8 — V和8 — W與圖2和3中的圖不類似地以星形線路接線。因此，根據圖4的充電系統(tǒng)與圖2和3中所示的充電系統(tǒng)的區(qū)別僅僅在于:整流器單元10包括B6電路形式的二極管整流器40而不是B2電路形式的二極管整流器，該B6電路形式的二極管整流器40可直接地或者經由未示出的網絡濾波器連接到未示出的三相外部能量供給網絡，尤其是公共的(交流)電網。在根據圖5的充電系統(tǒng)的情況下，定子繞組8 — U、8 — V和8 — W不以星形線路接線，而是以三角線路接線。在電機I的這種構型中，整流器單元10針對電機I的每個相U、V、W都包括自己的整流器50 — I或50 — 2或50 — 3，這些整流器示例性地實施為B2電路形式的二極管整流器。電機(I)的每個相U、V、W或每個定子繞組8 — U、8 — V和8 — W在此分別與整流器50 — I或50 — 2或50 — 3連接。整流器50 — 1,50 一 2和50 — 3又可直接地或者經由未示出的網絡濾波器連接到未示出的三相外部能量供網絡、尤其是公共的(交流)電網。在此，各個整流器50 - 1,50 一 2和50 — 3可分別與外部能量供給網絡的兩個相LI和L2或L2和L3或LI和L3連接。對于本發(fā)明的在圖4和5中所示的實施方式也適用的是，實現功率因數修正所需的電感如所示那樣可以由電機I的發(fā)動機電感或者替代于此地由外部充電電感或者發(fā)動機電感與外部充電電感的組合構成。為了確保在充電階段期間存儲在一個/多個電感中的能量可以在空轉階段中降低并且可獲得足夠的功率因數，能量供給分支3 — 1、3 - 2、3 — 3處的最小總電壓(放電狀態(tài))必須比經整流的網絡電壓的峰值大。
權利要求
1.用于對可控的儲能器(2)中的至少一個儲能器單元(5)充電的系統(tǒng)，所述儲能器用于對η相電機(I)進行控制和電能量供給，其中η > I，其中 一可控的儲能器(2)具有η個并行的能量供給分支(3 - 1、3 - 2、3 — 3)，所述能量供給分支分別具有至少兩個串聯的儲能器模塊(4)，所述儲能器模塊分別包括至少一個具有所分配的可控的耦合單元(6)的電儲能器單元(5)， 一所述耦合單元(6)根據控制信號中斷能量供給分支(3)或者跨接分別所分配的儲能器單元(5)或者將分別所分配的儲能器單元(5)接到能量供給分支(3)中， 一所有的能量供給分支(3 - 1、3 - 2、3 - 3)能經由至少一個電感(8 — U ;8 — V ;8 —W ；9)和整流器單元(10)與外部能量供給網絡、尤其是公共的電網連接，以及一參考匯流排(Τ-)能與整流器單元(10)連接。
2.根據權利要求1的系統(tǒng)，其中能量供給分支(3— 1、3 — 2、3 — 3)在一側能與參考匯流排(Τ-)連接并且在另一側能分別與電機(I)的相(U、V、W)連接，并且所述至少一個電感至少部分地由電機(I)的定子繞組(8 — U、8 — V、8 — W)構成。
3.根據權利要求2的系統(tǒng)，其中 一整流器單元(10)包括整流器(11 ;40)，尤其是二極管整流器， 一電機(I)的相(U、V、W)以星形線路相互接線，并且 —電機(I)的相(U、V、W)的星形點(S)能與整流器(11 ;40)連接。
4.根據權利要求3的系統(tǒng)，其中`能在整流器(11；40)與電機(I)的星形點(S)之間接入附加的充電電感(9)。
5.根據權利要求2的系統(tǒng)，其中 一整流器單元(10)包括η個整流器(50 - 1,50 一 2,50 一 3)，尤其是二極管整流器， —電機(I)的相(U、V、W)以η角形線路相互接線，并且 —電機(I)的每個相(U、V、W)能分別與整流器(50 - 1,50 - 2,50 — 3)連接。
6.根據權利要求5的系統(tǒng)，其中電機(I)的相(U、V、W)能分別經由附加的充電電感分別與整流器(50 - 1,50 - 2,50 - 3)連接。
7.根據前述權利要求之一的系統(tǒng)，其中能在整流器單元(10)和外部能量供給網絡之間接入網絡濾波器(12)。
8.用于運行根據權利要求1至7之一的充電系統(tǒng)的方法，其中 一將所有的能量供給分支(3 - 1、3 - 2、3 - 3)經由至少一個電感(8 — U ;8 — V ;8 —W ;9)和整流器單元(10)與外部能量供給網絡、尤其是公共的電網連接，并且將參考匯流排(T-)與整流器單元(10)連接， 一在充電階段中 處于要充電的儲能器單元(5 - 3m)的能量供給分支(3 - 3)中的儲能器模塊(4 一 31至4 一 3m)的所有耦合單元(6 — 31至6 — 3m)被控制為，使得分別所分配的儲能器單元(5 — 31至5 — 3m)被跨接，并且一在充電階段后面的空轉階段中 分配給要充電的儲能器單元(5 - 3m)的所有耦合單元(6 - 3m)被控制為，使得所分配的儲能器單元(5 - 3m)被接到相應的能量供給分支(3 - 3)中， 處于要充電的儲能器單元(5 - 3m)的能量供給分支(3 - 3)中的、但是本身并不分配給要充電的儲能器單元(5)的所有耦合單元(6 — 31至6 — 3 (m — I))被控制為，使得分別所分配的儲能器單元(5 — 31至5 — 3 (m — I))被跨接，并且 所有其余的耦合單元(6 — 11至6 — lm，6 — 21至6 — 2m)被控制為，使得相應的能量供給分支(3 — 1，3 — 2)被 中斷。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于對可控的儲能器(2)中的至少一個儲能器單元(5)充電的系統(tǒng)，所述儲能器用于對n相電機(1)進行控制和電能量供給，其中n≥1。在此，可控的儲能器(2)具有n個并行的能量供給分支(3－1、3－2、3－3)，所述能量供給分支分別具有至少兩個串聯的儲能器模塊(4)，所述儲能器模塊分別包括至少一個具有所分配的可控的耦合單元(6)的電儲能器單元(5)。能量供給分支(3－1、3－2、3－3)在一側與參考匯流排(T-)連接并且在另一側分別與電機(1)的相(U、V、W)連接。所述耦合單元(6)根據控制信號要么中斷能量供給分支(3)要么所述耦合單元(6)跨接分別所分配的儲能器單元(5)要么所述耦合單元(6)將分別所分配的儲能器單元(5)接到能量供給分支(3)中。所有的能量供給分支(3－1、3－2、3－3)能經由至少一個電感(8－U；8－V；8－W；9)和整流器單元(10)與外部能量供給網絡連接。此外，參考匯流排(T-)能與整流器單元(10)連接。
文檔編號H02M7/49GK103119843SQ201180045026
公開日2013年5月22日 申請日期2011年8月24日 優(yōu)先權日2010年9月20日
發(fā)明者P.福伊爾施塔克, E.魏森博恩 申請人:羅伯特·博世有限公司