CN101473508B - 对储能器充电的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于对储能器充电的装置和方法。在储能器(DLC)的至少两个串联的单元(Z)中，借助第一充电路径(2，4，C_K)将用于均衡所存储的电荷所需要的能量经由交流电压总线(4)分别输送给剩留最低单元电压(U_ZX)的单元(Z_X)。在此，从储能器(B，DLC)中经由直流电压转换器(1)和交流电压转换器(2)给交流电压总线(4)供应能量。根据本发明现在设置第二充电路径(D_L)，该第二充电路径(D_L)可以将直流电压转换器(1)的与交流电压转换器(2)相连接的端子可替代地与储能器(DLC)的多个单元(Z)、尤其是所有单元(Z)的串联电路相连接。

Description

对储能器充电的装置和方法

本发明涉及用于一种装置和方法，用于对储能器、尤其是具有多个串联布置的单个单元(例如双层电容器)的储能器充电，如在机动车车载网络中得到应用的那样。

机动车中的混合动力技术的主要问题之一是电储能器。一方面需要具有高容量的储能器，另一方面这些储能器必须也可以短期接收和提供车载网络(Bordnetz)中的高功率。例如在通过作为电动机工作的电机支持加速(助推内燃机)时或在再生制动过程(回收)中通过作为发电机工作的电机将动能转变成电能时，对于储能器提出了高的要求。

满足有关短期高功率的要求的储能器例如是双层电容器。双层电容器的单个单元的最大电压限制为2.5V至3.0V，使得对于例如60V的电压(如尤其对于所谓的轻混合动力(Mild-Hybrid)车辆所需要的)，必须将大约20至26个单个电容器串联成电容器堆叠。

由于单个单元的不同的自放电，逐渐地导致在电容器堆叠中的电荷不平衡，这在较长的服务时间之后，如果不进行电荷均衡，会使得双层电容器最终不可使用。

在用于对储能器的串联布置的各个单元进行电荷均衡的公知方法中(WO 2006/000471 A1)，从储能器或其它的能量源中获取能量，并因此对中间回路电容器充电。由DC/AC转换器来逆变中间回路电容器的电压，并借助整流器经由交流电压总线和耦合电容器将所述交流电压转换成脉动式直流电流，并且于是用该脉冲式直流电流对具有最低单元电压的单元充电。

如果现在在确定的运行情况下导致储能器完全放电，这例如在装入新的储能器或车辆长时间站停的情况下发生，则双层电容器的充电则是特别困难的。

在通常的应用情况下，可以由双层电容器经由降压转换器(Tiefsetzsteller)供应机动车的14V车载网络。这种布置虽然也适用于双层电容器的充电，然而以双层电容器的电压不下降到车载网络的电压之下为前提。但是如果双层电容器完全放电，则可能需要小的第二降压转换器，其中经由该小的第二降压转换器可以将双层电容器充电至车载网络的电压为止。

在根据WO 2006/000471 A1的开始时提及的方法和装置中，也可以经由外部的源对单元充电.但是在该电荷均衡电路中已证明为不利的是，双层电容器的充电是与可观的时间耗费相关联的。

如果例如从均衡电路中以4A的总电流对由具有各1800F电容的24个双层电容器组成的堆叠进行充电，则每单元得出0.167A的充电电流。在14V的车载网络电压时，每单元需要0.625V单元电压。因此得出充电时间为

t＝U＊C/I＝0.625＊1800F/0.167A＝6750s。

因而需要约2小时用于双层电容器的充电。但是无论在车辆的制造时、还是在车辆的日后使用时，都不能接受这种长的时间间隔。

所以本发明的任务是，提供可以实现简化和加速双层电容器充电的一种装置和一种方法。

通过权利要求1或8所述的特征解决本发明。

在储能器的至少两个串联的单元情况下，借助第一充电路径，经由交流电压总线(AC总线)分别给剩留(abfallen)最低单元电压的单元输送用于均衡所存储的电荷所需要的能量。在此，从储能器中经由直流电压转换器和交流电压转换器给交流电压总线供应能量。

根据本发明，现在设置第二充电路径，该第二充电路径可以将直流电压转换器的与交流电压转换器相连接的端子可替代地与储能器的多个单元的、尤其是所有单元的串联电路相连接。

以此方式(尤其是在很大程度上空的储能器情况下)可以首先或仅仅经由第二充电路径实现该储能器的充电。

在从属权利要求中说明本发明的有利的改进方案。

根据本发明的第一实施形式，可以在电容方面、尤其是经由电容器实现单元的连接(Anbindung)和电势分离。可替代地可以经由电感式耦合元件、尤其是经由变压器实现解开(Abbindung)。

通过总线***可以简单地执行安装。尤其是可以经由一个或两个交流电压总线线路供应各个单元。对于电路只需要少量的和也物美价廉的标准元件。

例如可以经由控制单元实现充电路径的选择(第一充电路径或第二充电路径)。在此，控制单元确定相应的充电路径。这可以例如根据机动车的运行参数、尤其是储能器、内燃机和/或电机的运行参数来实现。根据本发明的另一实施形式，首先经由第二充电路径进行充电过程，尤其是直至达到了确定的单元电压的或在储能器上的电压的时刻为止，并此后经由第一充电路径继续进行充电过程。

有利地因此可以在经由第二充电路径的初始的快速充电之后，经由第一充电路径实现各个单元的对称化。

具有第一和第二充电路径的电路装置尤其适合于集成到各个单元的或整个储能器的外壳中.

在这里尤其是也称为超级电容或超电容(Super-或Ultracap)的双层电容器、锂离子或锂聚合物蓄电池适用于作为储能器。

以下借助示意性附图详细阐述本发明的实施例。其中：

图1示出原理性的电路装置的方框电路图，用于储能器的单元的电荷均衡，

图2示出充电电路的第一实施例，

图3示出充电电路的其它的实施例，和

图4示出具有逆向变换器的充电电路的实施例。

图1展示了用于储能器(例如双层电容器DLC)的单元的电荷均衡的原理性电路装置的框图。通过第一转换器1生成直流电压，该直流电压经由第二转换器2以例如50kHz的脉冲频率被逆变。以该交流电压施加给交流电压总线(AC总线)4。这里将导线、尤其是电缆或铜母线的***称为总线。双层电容器DLC的串联的单元Z₁至Z_n经由耦合电容器C_k和整流器连接到该AC总线4上。

在这里要么由蓄电池B、要么由双层电容器DLC本身给第一转换器供应能量。

这里通过具有交流电压转换器2、耦合电容器C_k和整流器3的第一充电路径可以使双层电容器DLC的电荷充电。在文献WO2006/000471 A1中详细说明了具有所属电荷均衡电路的第一充电路径的基本原理，以此使该文献WO 2006/000471 A1整个范围地成为本申请的组成部分。

可替代地可以经由第二充电路径对多个单元或也对整个单元堆叠充电。该充电路径具有将第一转换器1的输出端与双层电容器DLC的端子6相连接的二极管D_L.经由该端子6可以给至少两个串联的单元Z供应能量.将二极管D_L从第一转换器1朝向双层电容器DLC在流动方向上极化.

经由第二充电路径，第一转换器1的最大可调节的电流经由唯一的二极管D_L流入储能器的串联的单元中，并在此情况下不由逆变(Wechselrichtung)、传输和随后的整流来划分。以此方式可以显著降低充电所需要的持续时间。

随后经由第一充电路径可以均衡在储能器DLC的各个单元之间的电压差(如果有必要的话)。为此既可以由蓄电池B、也可以由双层电容器DLC本身给第一转换器1馈电。第一转换器具有经由其可以选择相应的能量源B或DLC的输入端st₁。

此外第二转换器2同样具有经由其可以断开和接通该转换器2的输入端st₂。在断开的状态下，第一转换器1的输出电流仅仅流经第二充电路径。

由控制单元5根据参数P生成控制信号st₁和st₂。例如各个单元电压、所有单元电压的平均值、储能器的总电压、或还有机动车的运行参数可以被考虑作为参数P。

图2展示了用于储能器的(这里又例如双层电容器DLC)的单元Z₁至Z_n的电荷均衡的本发明电路装置的第一实施例。

根据图2的电路装置也又具有两个充电路径，一方面是经由交流电压总线4的第一充电路径和另一方面是经由二极管D_L的第二充电路径。

用于储能器、尤其是双层电容器DLC的单元Z₁至Z_n的电荷均衡的本发明电路装置的在图2中所示出的第一实施例，具有各个单元Z₁至Z_n的串联电路.经由第一开关S1将经由单元Z₁至Z_n的串联电路下降的电压U_DLC输送给直流电压转换器1、尤其是电流调节的降压转换器。经由第二开关S2，可以附加地或替代地将能量源(例如蓄电池B)与直流电压转换器1相连接。直流电压转换器1又与交流电压转换器2的输入端电连接，在该实施例中，该交流电压转换器2具有中间回路电容器C_Z和两个连接成半桥的晶体管T1和T2。中间回路电容器C_Z要么由双层电容器DLC经由开关S1、要么由蓄电池B经由开关S2来充电。该交流电压转换器2的位于两个晶体管T1和T2之间的输出端与交流电压总线4电连接.交流电压总线4又分别具有给其所分配的单元Z₁至Z_n用的耦合电容器C_K1至C_Kn.

在每一个耦合电容器C_{Kx(x＝1...n)}和给其所分配的单元Z_x之间布置这里分别具有两个二极管D_xa、D_xb的整流器3。二极管D_xa分别将耦合电容器C_kx的背离交流电压总线4的端子与所分配的单元Z_x的具有较高电势的端子(正极端子)相连接，二极管D_xb将耦合电容器C_kx的该端子与所分配的单元Z_x的具有较低电势的端子(负极端子)相连接。

在此，将二极管D_xa从耦合电容器C_Kx朝向单元Z_x的正极端子在流动方向上极化，而将二极管D_xb从单元Z_x的负极端子朝向耦合电容器C_Kx在流动方向上极化。

在该第一实施例中包含半桥T1、T2的交流电压转换器2向在位于两个晶体管T1和T2之间的其输出端提供矩形交流电压，该交流电压可以通过耦合电容器C_K1至C_Kn被传输至各个单元Z₁至Z_n。

不同的电容器类型可被用于耦合电容器C_K。不过必须互相协调电容器的电容、频率和内部损耗电阻。错误协调会导致耦合电容器的过大的再充电，并因此持久地恶化均衡电路的选择性和分辨能力(

)。

电流经由相应的整流器3被重新整流，并作为充电电流被输送给相应的单元Z_x。

为了能够实现在储能器的串联的单元Z₁至Z_n处的电荷均衡，必须从具有最高电压的那个单元获取能量，并将该能量重新输送给在其上剩留最低电压的单元Z_x，使得对具有最低电压的单元Z_x充电。示范性地对于在该实施例中具有最低单元电压U_Zx的单元Z_x解释经由第一充电路径充电的该过程、即电荷均衡。在交流电压信号的负相位中(晶体管T2导电)，通过下方的二极管D_xb将耦合电容器C_Kx充电到单元Z_x的(在负极端子处的)下方的电势(扣除二极管D_xb的导通电压)。

如果交流电压信号随后足够远地提高电势(晶体管T1，导电)，则电流从中间回路电容器C_Z经由晶体管T1、交流电压总线4、耦合电容器C_Kx和二极管D_xa，流过单元Z_x和其正极端子与要充电的单元Z_x的正极端子相比具有对参考电势GND较小的电势的所有单元、这里即是单元Z_x+1至Z_n，并且从那里返回流向中间回路电容器C_Z。

在交流电压信号的随后的负相位中(晶体管T2重又导电)，电流在相反的方向上流过其正极端子与要充电的单元Z_x的正极端子相比具有对参考电势GND较小的电势的单元、即单元Z_n至Z_x+1，并且现在流过二极管D_xb和耦合电容器C_Kx。电路回路经由交流电压总线和导电的晶体管T2来闭合。

在单元Z_x中由此出现了脉动式充电直流电流，而其正极端子具有相对于参考电势GND较小的电势的所有单元Z_x+1至Z_n经历交流电流。

脉动式直流电流只能流入具有最低单元电压U_zx的单元Z_x中，并且于是首先对该单元如此长时间地充电，直至该单元Z_x已达到其余单元的次高的(

)单元电压。脉动式直流电流于是在该两个单元上划分，直至该两个单元又已达到了次高的单元电压。以此方式实现整个电容器堆叠、即储能器DLC的所有单元的电荷均衡。

使储能器DLC的相应单元Z_x充电的能量来自中间回路电容器C_Z，该中间回路电容器C_Z一方面通过这种负载、和另一方面通过恒定的再充电独立地调整到适当的电压U_CZ。在此也自动得出，剩留最低电压的单元Z_x被传输最多的能量，而在瞬时剩留较高的单元电压的单元甚至不被传输能量。

如果现在存在整个储能器DLC未充电或已放电的情况，则经由第一充电路径、即经由交流电压转换器2、交流电压总线4、耦合电容器C_k和整流器3对储能器DLC的充电会要求很大的持续时间。这里现在经由二极管D_L的第二充电路径得到采用。二极管D_L一方面与直流电压转换器1的朝向交流电压转换器2的输出端相连接。另一方面，二极管D_L与储能器DLC的正极端子相连接，使得经由第二充电路径可以使多个、尤其是(像这里所示出的那样)所有串联的单元Z₁至Z_n充电。在此，将二极管D_L从直流电压转换器1的输出端朝向储能器DLC的正极端子在流动方向上极化。

如果现在出现了开始时所述的情况，则经由控制单元ST(请参阅图1)既断开晶体管T1又断开晶体管T2，使得直流电压转换器1可以对储能器的所有单元充电。为此可以如此控制直流电压转换器1，使得用其最大可调节的电流对储能器充电。如果经由二极管D_L例如用4A电流将(例如具有24个单个单元的)单元堆叠充电到13V电压，则这意味着充电时间t＝13V∶24x1800F∶4A＝4分钟。为了使单元堆叠现在完全充电到其15V的额定电压，类似于以上的计算，经由第一充电路径需要15分钟的附加充电持续时间.因此在19分钟中使整个单元堆叠完全充电。这种充电时间对于首次投入运行或储能器的更换是可接受的。

经由第二充电路径由直流电压转换器1从蓄电池B获取能量，并在总和上(in Summe)输送给储能器DLC。

为此不需要改变直流电压转换器1的元件，因为与均衡电路的常规运行相比(经由第一充电路径的充电或电荷均衡)不改变电流。在此，从直流电压转换器1的较高的输出电压中产生该直流电压转换器1的所提高的输出功率。为了将第二充电路径投入运行，断开交流电压转换器2的半桥的晶体管T1和T2就足够了.因此可以以简单的方式，通过补充唯一的器件、即二极管D_L显著加速储能器DLC的充电。

图3展示了本发明电路装置的第二实施例，该电路装置在两相位变型方案中具有带有全桥的交流电压转换器2和(Graetz整流器)。单元Z_x也在这里又是具有最低单元电压的那个单元。

功能相同的部分在这里有与图2中相同的参考符号。

第一充电路径在该实施例中具有两个相位(phase)。该第一充电路径类似于以前所说明的和在图2中所示出的具有半桥和一个相位的实施例的电路工作.但是根据图3的两相的交流电压转换器2具有某些优点，但是按照应用情况而定，这些优点超过了额外耗费。

交流电压转换器2在这里具有带有两个半桥的全桥电路。第一半桥具有第一和第二晶体管T1、T2，第二半桥具有第三和第四晶体管T3、T4。两个半桥的输出端分别与总线线路4.1或4.2相连接。经由给其所分配的半桥给每一总线线路4.1、4.2供应能量。

总线线路4.1经由相应的耦合电容器T_K1a至C_Kna和由分别两个二极管D_1a、D_1b至D_na、D_nb组成的整流器电路与串联的单元Z₁至Z_n相连接。同样，总线线路4.2经由相应的耦合电容器C_K1至C_Kn和由分别两个二极管D_1c、D_1d至D_nc、D_nd组成的整流器电路与串联的单元Z₁至Z_n相连接.

重新以单元Z_x为例来说明，这意味着，与半桥T1、T2相连接的总线线路4.1经由耦合电容器C_Kxa一方面经由向单元导电的二极管D_xa与单元Z_x的正极端子相连接，和另一方面经由向耦合电容器导电的二极管D_xb与单元Z_x的负极端子相连接。附加地，与半桥T3、T4相连接的总线线路4.2经由耦合电容器C_Kxb一方面经由向单元导电的二极管D_xc与单元Z_x的正极端子相连接，和另一方面经由向耦合电容器C_Kxb导电的二极管D_xb与单元Z_x的负极端子相连接。

两个整流器D_xa、D_xb和D_xc、D_xd因此并行于单元Z_x工作。对于其余的单元而言功能相同地实现电路装置。在两个相位的情况下主要的优点在此是，流过当前不被充电的本来未参与的单元、即其正极端子与单元单元Z_x相比具有对参考电势GND较小的电势、但是较高的单元电压U_z的所有单元(这里也即所有其余单元)的交流电流取消(entfallen)。

在该第二实施例中，两个半桥反相地工作，即如果晶体管T1和T4在第一相位中导电，则晶体管T2和T3是不导通的。在第二相位中是相反的，在这里晶体管T2和T3是导电的，而晶体管T1和T4是不导通的。

对于第二实施例同样又设置经由二极管D_L的第二充电路径。该二极管D_L一方面与直流电压转换器1的输出端相连接，另一方面与单元堆叠的端子相连接。在该实施例中，也再次可以经由二极管D_L(对于关断两个半桥的情况)直接经由直流电压转换器1对整个单元堆叠充电。可以相应地经由第一充电路径、这里是经由两相的交流电压总线4.1、4.2实现对称化或再充电。

对于二极管D_L的尺寸确定重要的仅仅是，二极管D_L必须能够截止储能器的电压UDLC和必须能够承载充电电流。对此可以考虑常规的功率二极管。本发明的其它优点在于，可以有利地设计电路装置的元件，因为降压转换器本身由其电流来限定。

图4a和4b分别展示了实施为逆向变换器(Flyback-Konverter)的直流电压转换器1的示意图。图4a展示了逆向变换器的第一实施例，其中，存储器变压器的输入侧和输出侧都分别具有绕组。在此，蓄电池B与初级绕组L1和晶体管T₁₁的串联电路相连接。在输出侧布置次级绕组L2，该次级绕组L2按照图2和3与交流电压转换器2电连接。晶体管T₁₁这里作为借助脉宽调制的控制电压被接通和关断的开关来工作。当接通晶体管T₁₁时，在初级绕组L₁上的电压等于输入电压U_B，并且电流I_L1线性上升。在该相位期间，将能量充电到存储器变压器中。次级绕组L2在该相位中无电流，因为二极管D_S2截止。如果现在截止晶体管T₁₁，则中断通过初级绕组L₁的电流，并且在变压器上的电压根据感应定律转换极性。二极管D_S2现在变成导通的，并且次级绕组L₂经由次级侧的输出端子输出能量。

图4b展示了具有存储器变压器的逆向变换器的第二实施例，该存储器变压器在次级侧具有两个次级绕组L₂₁和L₂₂。第一次级绕组L₂₁像在根据图4a的实施例中那样给交流电压转换器2供应能量。第二次级绕组L₂₂给单元的各个子组、或也给整个单元堆叠供应能量。在该实施例中，在第二次级绕组L22的回路中设置开关S3，通过该开关S3可以接通或关断经由第二充电路径的对单元堆叠的充电。

经由该第二绕组L22，可以提供比蓄电池电压较高的电压。因此也可以不借助第一充电路径，使储能器完全充电。由此再次显著减少充电时间。

作为直流电压转换器的逆向变换器的采用带来了其它的优点，因此可以例如比在常规的降压转换器的情况下更有利地选择采用电荷均衡电路的占空比(

)，所述常规的降压转换器从储能器的例如60V的总电压U_DLC中必须提供例如2.5V的单元电压U_Zx。

Claims (10)

1.用于对储能器(DLC)的串联布置的各个单元(Z₁至Z_n)充电的装置，

其中，设置直流电压转换器(1)，该直流电压转换器(1)通过一开关与储能器(DLC，B)相连接，

其中，设置连接在直流电压转换器(1)之后的交流电压转换器(2)，该交流电压转换器(2)具有中间回路电容器(C_Z)和桥电路(T₁，T₂；T₁至T₄)，

其中，设置至少一个连接在所述交流电压转换器(2)之后的交流电压总线(4；4.1，4.2)，

其中，在每一个单元(Z₁至Z_n)和每一个交流电压总线(4；4.1，4.2)之间布置至少一个耦合元件(C_K1至C_Kn，C_K1a和C_K1b至C_Kna和C_Knb)和整流器(3)的串联电路，其中，所述交流电压总线(4；4.1，4.2)与耦合元件(C_K1至C_Kn，C_K1a和C_K1b至C_Kna和C_Knb)和整流器(3)结合地形成第一充电路径，其特征在于，

设置第二充电路径，通过该第二充电路径，将直流电压转换器(1)的朝向交流电压转换器(2)的端子与储能器的至少两个单元(Z₁至Z_n)的串联电路相连接。

2.按照权利要求1的装置，其特征在于，所述第二充电路径具有二极管(D_L)，所述二极管(D_L)的流通方向从直流电压转换器(1)的输出端指向储能器(DLC)的端子方向。

3.按照以上权利要求之一的装置，其特征在于，所述耦合元件是电感式耦合元件或电容式耦合元件(C_K)。

4.按照权利要求1或2的装置，其特征在于，所述装置具有控制电路(5)，经由所述控制电路(5)可以激活第一或第二充电路径。

5.按照权利要求4的装置，其特征在于，根据参数来实现对相应充电路径的选择。

6.按照权利要求5的装置，其特征在于，所述参数是在储能器(DLC)上所下降的电压(U_DLC)、单元电压(U_Z)、多个单元电压(U_Z)的平均值和/或机动车的运行参数。

7.按照权利要求1或2的装置，其特征在于，所述装置与储能器(DLC)共同布置在外壳中。

8.用于对储能器(DLC)的串联布置的各个单元(Z₁至Z_n)充电的方法，其特征在于，

根据参数经由第一或第二充电路径对储能器(DLC)充电，

在选择第一充电路径(4，4.1，4.2；C_K1至C_Kn，C_K1a和C_K1b至C_Kna和C_Knb)的情况下，经由交流电压(4；4.1，4.2)实现充电，和将经整流的脉动式充电电流输送给具有最低单元电压(U_Zx)的单元(Z_x)，其中在每一个单元(Z₁至Z_n)和每一个交流电压总线(4；4.1，4.2)之间布置至少一个耦合元件(C_K1至C_Kn，C_K1a和C_K1b至C_Kna和C_Knb)和整流器(3)的串联电路，并且所述交流电压总线(4；4.1，4.2)与耦合元件(C_K1至C_Kn，C_K1a和C_K1b至C_Kna和C_Knb)和整流器(3)结合地形成第一充电路径，和

在选择第二充电路径的情况下，用直流电压实现对储能器(DLC)的至少两个单元(Z₁至Z_n)的串联电路的充电，和将直流电流输送给所述至少两个单元(Z₁至Z_n)。

9.按照权利要求8的方法，其特征在于，在选择第二充电路径的情况下，用直流电压实现对储能器(DLC)的所有单元(Z₁至Z_n)的串联电路的充电，和将直流电流输送给所述所有单元(Z₁至Z_n)。

10.按照权利要求8或9的方法，其特征在于，所述参数是在储能器(DLC)上所下降的电压(UDLC)、单元电压(UZ)、多个单元电压(UZ)的平均值和/或机动车的运行参数。

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