CN103109415B - 能量供给网络和用于为能量供给网络中的至少一个用作直流电压中间回路的储能器的储能器单元充电的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有n相电机（1）（其中n≥1）和可控的储能器（2）的能量供给网络，所述储能器用于对电机（1）进行控制和电能量供给。在此，可控的储能器（2）具有n个并行的能量供给分支（3－1、3－2、3－3），所述能量供给分支分别具有至少两个串联的储能器模块（4），所述储能器模块分别包括至少一个具有所分配的可控的耦合单元（6）的电储能器单元（5），在一侧与参考汇流排（T-）连接，并且在另一侧分别与电机（1）的相（U、V、W）连接。所述耦合单元（6）根据控制信号或者跨接分别所分配的储能器单元（5）或者所述耦合单元（6）将分别所分配的储能器单元（5）接到能量供给分支（3－1、3－2、3－3）中。在至少一个所述能量供给分支（3－3）中，直接与参考汇流排（T-）连接的储能器模块（4-3m）的储能器单元（5）直接连接到参考汇流排（T-）。该储能器单元（5）用作直流电压中间回路的储能器。

Description

能量供给网络和用于为能量供给网络中的至少一个用作直流电压中间回路的储能器的储能器单元充电的方法
技术领域
本发明涉及一种能量供给网络和一种用于为能量供给网络中的至少一个用作直流电压中间回路的储能器的储能器单元充电的方法。
背景技术
呈现出，在未来既在例如风力发电设备的静止应用时也在如混合动力车辆或电动车辆的车辆中越来越多地采用将新的储能技术与电驱动技术相组合的电子***。在常规应用中，例如实施为感应式电机的电机经由逆变器形式的变换器被控制。对于这种***表征性的是所谓的直流电压中间回路，储能器、一般是电池（Batterie）经由该直流电压中间回路连接到逆变器的直流电压侧。为了能够满足针对相应的应用所给出的对于功率和能量的要求，将多个电池单元串联。因为由这种储能器提供的电流必须流经所有的电池单元并且一个电池单元仅能传导有限的电流，所以常常附加地并联电池单元，以便提高最大电流。
多个电池单元的串联除了高的总电压以外随之带来如下问题，即当唯一的电池单元失灵时，整个储能器失灵，因为于是电池电流不再能够流动。储能器的这种失灵可以导致总***的失灵。在车辆情况下，驱动电池的失灵可能导致车辆“卡住”。在其他应用中，例如风力发电设备的转子叶片调整，可能在不利的框架条件、例如强风的情况下甚至发生危及安全的状况。因此应始终致力于储能器的高可靠性，其中用“可靠性”来表示***在预先给定的时间内无故障工作的能力。
在优先的申请DE 10 2010 027857和DE 10 2010 027861中描述了具有多个电池模块支路的电池，这些电池模块支路可直接连接到电机上。电池模块支路在此具有多个串联的电池模块，其中每个电池模块具有至少一个电池单元和所分配的可控的耦合单元，该耦合单元允许根据控制信号中断相应的电池模块支路或者跨接分别分配的至少一个电池单元或者将分别分配的至少一个电池单元接到相应的电池模块支路中。通过例如借助于脉宽调制适当地操控耦合单元，还可以提供用于控制电机的适当的相信号，使得可以放弃单独的脉冲逆变器。控制电机所需的脉冲逆变器因此可以说被集成到电池中。出于公开的目的，这两个优先的申请全面地结合到本申请中。
与传统的***不同——其中电机经由逆变器被控制并且通过与之分离的电储能器被供给电能，在优先的申请DE 10 2010 027857和DE 10 2010 027861中所述的电池情况下不提供恒定的直流电压，使得这种电池不能容易地集成到常规的能量供给网络中，例如电动车辆或者混合动力车辆的车载网络中。
发明内容
本发明提出一种能量供给网络，其具有可控的储能器，所述储能器用于对n相电机（其中n≥1）进行控制和电能量供给。在此，可控的储能器包括n个并行的能量供给分支，所述能量供给分支分别具有至少两个串联的储能器模块，所述储能器模块分别包括至少一个具有所分配的可控的耦合单元的电储能器单元。所述能量供给分支在一侧可与参考电势——在下面称为参考汇流排——连接，并且在另一侧可分别与电机的相连接。所述耦合单元根据控制信号或者跨接分别所分配的储能器单元或者所述耦合单元将分别所分配的储能器单元接到能量供给分支中。在至少一个所述能量供给分支中，直接与参考汇流排连接的储能器模块的储能器单元直接连接到参考汇流排。这些储能器单元根据本发明用作直流电压中间回路的储能器，可由该直流电压中间回路向耗电器供给直流电压。
本发明还提出一种用于为根据本发明的能量供给网络中的至少一个用作直流电压中间回路的储能器的储能器单元充电的方法。在此，在电机的、电流从电机流到可控的储能器中的运行阶段中，给用作直流电压中间回路的储能器的储能器单元所分配的所有耦合单元被控制为，使得所分配的储能器单元被接到相应的能量供给分支中。
本发明的优点
可控的储能器在电机的发动机运行期间在输出侧提供用于操控电机的交变电压。但是与传统的***不同——在所述传统的***中电机经由逆变器被控制并且通过与之分离的电储能器被供给电能，不提供直流电压用于对耗电器、例如车辆车载网络中的高压消耗器进行直接的能量供给或者作为直流电压转换器的输入参量。
本发明所基于的基本构思是，至少在所述能量供给分支之一中，直接与参考汇流排连接的储能器模块被构造为，使得该储能器模块的储能器单元直接连接到参考汇流排上。也就是换句话说，所分配的耦合单元被构造为，其虽然可以跨接储能器单元或者可以将储能器单元接到能量供给分支中，但是储能器单元到参考汇流排的电连接不能中断。这样接线的储能器单元于是可以直接作为要连接到其上的直流电压中间回路的储能器来使用。通过这种方式可以以极小的硬件耗费来产生供给耗电器所需的直流电压。
对用作直流电压中间回路的储能器的储能器单元的充电可以在电机的运行期间进行。对此，储能器单元简单地在运行阶段期间被接到相应的能量供给分支中，在所述运行阶段中，电流从电机被馈送回到可控的储能器中。由此对于电机来说降低的端电压可以通过所属空间矢量的相应匹配而得到补偿。
为了提高直流电压中间回路的储能器的总容量以及失灵安全性，根据本发明的实施方式规定，在所有能量供给分支中，直接与参考汇流排连接的储能器模块的储能器单元直接连接到参考汇流排上并且所有这些储能器单元用作直流电压中间回路的并联储能器。
在此，根据本发明的实施方式，用作直流电压中间回路的储能器的储能器单元分别经由至少一个二极管与直流电压中间回路连接。通过这种方式实现，分别自动地向最强的储能器模块、即其储能器单元当前具有最大充电量（Ladung）的该储能器模块加负载。
为了避免电流尖峰，用作直流电压中间回路的储能器的储能器单元可以经由至少一个电感与直流电压中间回路连接。
本发明的另一实施方式规定，用作直流电压中间回路的储能器的储能器单元的总电压小于或者等于60伏特，使得不必采取附加的例如针对接触保护的防护措施。
根据本发明的实施方式，直流电压中间回路具有中间回路电容器，该中间回路电容器在一侧与参考汇流排电连接并且在另一侧与用作储能器的储能器单元的背向参考汇流排的端子连接。通过直接与储能器单元接触，对作为直流电压中间回路的储能器的储能器单元的功能的影响在无任何附加耗费的情况下通过分配给储能器单元的耦合单元安全地被避免。
但是替代于此地，中间回路电容器也可以在一侧与参考汇流排连接，并且在另一侧与储能器模块的背向参考汇流排的输出端连接，所述储能器模块包括用作储能器的储能器单元。
借助于连接在中间回路电容器之后的第一直流电压转换器，可以将中间回路电容器的第一电压水平匹配于另一储能器的第二电压水平。通过这种方式可以实现双电压能量供给网络。
替代地或者附加地还可能的是，在中间回路电容器之前连接第二直流电压转换器，该第二直流电压转换器将用作直流电压中间回路的储能器的储能器单元的总电压匹配于中间回路电容器的第一电压水平。
本发明的实施方式的其他特征和优点参照附图从以下描述中得出。
附图说明
图1示出本发明能量供给网络的第一实施方式的示意图，
图2示出本发明能量供给网络的第二实施方式的示意图，以及
图3示出本发明能量供给网络的第三实施方式的示意图。
具体实施方式
图1示意性示出本发明能量供给网络的一个实施方式。可控的第一储能器2连接到三相电机1上。可控的第一储能器2包括三个能量供给分支3－1、3－2和3－3，这些能量供给分支在一侧与在所示实施例中引导低电势的参考电势T-（参考汇流排）连接，并且在另一侧分别与电机1的各个相U、V、W连接。这些能量供给分支3－1、3－2和3－3中的每一个具有m个串联的储能器模块4－11至4－1m或4－21至4－2m或4－31至4－3m，其中m≥2。储能器模块4又分别包括多个串联的电储能器单元5－11至5－1m或5－21至5－2m或5－31至5－3m。储能器模块4此外分别包括耦合单元6－11至6－1m、6－21至6－2m以及6－31至6－3m，所述耦合单元被分配给相应的储能器模块4的储能器单元5－11至5－1m或5－21至5－2m或5－31至5－3m。在所示的实施变型方案中，耦合单元6分别通过两个可控的开关元件构成，所述开关元件出于清楚的原因仅在能量供给回路3－3中配备附图标记7－311和7－312至7－3m1和7－3m2。开关元件在此可以实施为例如IGBT（绝缘栅双极晶体管）形式的功率半导体开关或者实施为MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）。
耦合单元6使得能够通过断开耦合单元6的两个开关元件7来中断相应的能量供给分支3。可替代地，储能器单元5可以通过分别闭合耦合单元6的开关元件7之一、例如闭合开关7－311要么被跨接，要么例如通过闭合开关7－312被接到相应的能量供给分支3中。
能量供给分支3－1至3－3的总输出电压通过耦合单元6的可控的开关元件7的相应开关状态被确定并且可以分级地被调整。分级在此根据各个储能器模块4的电压得出。如果从类似地构造的储能器模块4的优选实施方式出发，则从单个储能器模块4的电压乘以每能量供给分支串联的储能器模块4的数量m中得出最大可能的总输出电压。
耦合单元6因此允许，将电机1的相U、V、W要么接到高的参考电势上要么接到低的参考电势上并且就此而言也可以履行已知逆变器的功能。因此可以通过可控的第一储能器2在适当地操控耦合单元6的情况下控制电机1的功率和运行方式。也即就此而言，可控的第一储能器2履行双重功能，因为其一方面用于电能量供给，而另一方面也用于电机1的控制。
电机1在所示的实施例中实施为三相交流电机，但是也可以具有少于或者多于三个的相。可控的第一储能器2中的能量供给分支3的数目当然也视电机的相数而定。
在所示的实施例中，每个储能器模块4分别具有多个串联的储能器单元5。但是，所述储能器模块4也可以替代地分别具有仅仅一个唯一的储能器单元或者也可以具有并联的储能器单元。
在所示的实施例中，耦合单元6分别由两个可控的开关元件7构成。但是，耦合单元6也可以由或多或少的可控的开关元件实现，只要能实现所需的功能（中断能量供给分支、跨接储能器单元以及将储能器单元接到能量供给分支中）。耦合单元的示例性的替代的构型从优先的申请DE XX和DE YY中得出。但是此外也可设想的是，耦合单元具有全桥电路中的开关元件，这在储能器模块的输出端处提供了电压极性变换的附加可能性。
可控的第一储能器2在电机1的发动机运行期间在输出侧提供用于操控电机1的交变电压。但是与传统的***不同——在所述传统的***中电机经由逆变器被控制并且通过与之分离的电储能器被供给电能，不提供直流电压用于对耗电器、例如车辆车载网络中的高压消耗器进行直接的能量供给或者作为直流电压转换器的输入参量。
因此，直接地、也就是在不中间连接其他储能器模块4的情况下与参考汇流排T-相连的储能器模块4－1m、4－2m和4－3m被构造为，使得这些储能器模块4－1m、4－2m和4－3m的储能器单元5－1m或5－2m或5－3m在一侧直接连接到参考汇流排T-。具体地，这通过如下方式实现，即所分配的耦合单元6的相应开关元件7，例如耦合单元6－3m的开关元件7－3m2，不布置在储能器单元5与参考汇流排T-之间，而是布置在储能器单元5的背向参考汇流排的连接线路中。储能器模块的储能器单元，在所示实施例中为储能器模块4－3m的储能器单元5－3m，在另一侧、即在储能器单元5－3m的背向参考汇流排T-的侧具有用于直流电压中间回路8的端子A3。应当指出，当连接到直流电压中间回路8的那些储能器模块4以所述方式构造时，这对于本发明的可应用性来说当然是足够的。
但是替代于所示实施方式，端子A3也可以布置在储能器模块4－3m的背向参考汇流排T-的输出端处，该储能器模块4－3m包括用作储能器的储能器单元5－3m。
直流电压中间回路8包括中间回路电容器9，该中间回路电容器9在一侧与参考汇流排T-连接并且在另一侧经由应避免电流尖峰的电感10与储能器单元5－3m的端子A3连接。储能器单元5－3m因此用作直流电压中间回路8的储能器，从该直流电压中间回路8可为耗电器11供给直流电压。
在中间回路电容器9之后连接第一直流电压转换器12，该第一直流电压转换器12使中间回路电容器9的第一电压水平匹配于另一储能器13的第二电压水平，由该另一储能器13可为耗电器14供给第二电压水平上的直流电压。该另一储能器在此例如可以构成为电池或者为超级电容。根据具体的电压水平，第一直流电压转换器12可以在有或者无电流隔断的情况下来实施。如果用于供给所有耗电器的直流电压中间回路8的电压水平已经是足够的，则当然也可以放弃该直流电压转换器12。
图2示出本发明能量供给网络的第二实施方式。该实施方式与第一实施方式的区别在于，所有能量供给分支3－1或3－2或3－3的直接与参考汇流排T-连接的储能器模块5－1m、5－2m和5－3m具有端子A1或A2或A3，经由这些端子，能量供给单元与直流电压中间回路8并联连接。通过这种方式提高了直流电压中间回路8的储能器的总容量以及失灵安全性。为了互相退耦，与储能器单元5－1m、5－2m和5－3m分别串联有二极管20－1或20－2或20－3。通过这种方式，总是自动地向其储能器单元5当前具有最大充电量的储能器模块4加负载。在该情况下，端子A1、A2和A3也可以替代于所示实施例地布置在相应的储能器模块4－1m或4－2m或4－3m的背向参考汇流排T-的输出端处。
如果在直流电压中间回路8中需要比用作直流电压中间回路8的储能器的储能器单元5－1m、5－2m、5－3m的总电压高的电压水平，则也可以在中间回路电容器9之前连接第二直流电压转换器30（参见图3）。该第二直流电压转换器30于是可以将用作直流电压中间回路8的储能器的储能器单元5－1m、5－2m、5－3m的总电压匹配于中间回路电容器9的例如可以处于高压范围中的第一电压水平。于是可以从该直流电压中间回路为例如高压消耗器31供给能量。根据具体的电压水平，直流电压转换器12和30可以在有或者无电流隔断（galvanische Trennung）的情况下实施。应当指出，根据对能量供给网络的具体要求当然也可以取消第一直流电压转换器12。
对用作直流电压中间回路8的储能器的储能器单元5－1m、5－2m、5－3m的充电可以在电机1的运行期间进行。对此，储能器单元5－1m、5－2m、5－3m通过在运行阶段期间对所分配的耦合单元6－1m或6－2m或6－3m的相应操控被接到相应的能量供给分支3－1或3－2或3－3中，在所述运行阶段中，电流从电机1被馈送回到可控的储能器2中。由此对于电机1来说降低的端电压可以通过所属空间矢量的相应匹配而得到补偿。

Claims (10)

1.具有可控的储能器（2）的能量供给网络，所述储能器用于对n相电机（1）进行控制和电能量供给，其中n≥1，其中
－可控的储能器（2）具有n个并行的能量供给分支（3－1、3－2、3－3），所述能量供给分支
     ·分别具有至少两个串联的储能器模块（4），所述储能器模块分别包括至少一个具有所分配的可控的耦合单元（6）的电储能器单元（5），
     ·在一侧能与参考汇流排（T-）连接，并且
     ·在另一侧能分别与电机（1）的n相中的一相（U、V、W）连接，
其中所述耦合单元（6）根据控制信号跨接分别所分配的储能器单元（5）或者将分别所分配的储能器单元（5）接到相应的能量供给分支（3－1、3－2；3－3）中，以及
－在至少一个所述能量供给分支（3－3）中，直接与参考汇流排（T-）连接的储能器模块（4-3m）的储能器单元（5）直接连接到参考汇流排（T-）并且用作直流电压中间回路（8）的储能器。
2.根据权利要求1的能量供给网络，其中在所有的能量供给分支（3－1、3－2、3－3）中，直接与参考汇流排（T-）连接的储能器模块（4－1m、4－2m、4－3m）的储能器单元（5－1m、5－2m、5－3m）直接连接到参考汇流排（T-）并且用作直流电压中间回路（8）的并联的储能器。
3.根据权利要求2的能量供给网络，其中用作直流电压中间回路（8）的储能器的储能器单元（5－1m、5－2m、5－3m）分别经由至少一个二极管（20－1、20－2、20－3）与直流电压中间回路（8）连接。
4.根据权利要求1至3之一的能量供给网络，其中用作直流电压中间回路（8）的储能器的储能器单元（5－1m、5－2m、5－3m）经由至少一个电感（10）与直流电压中间回路（8）连接。
5.根据权利要求1至3之一的能量供给网络，其中用作直流电压中间回路（8）的储能器的储能器单元（5－1m、5－2m、5－3m）的总电压小于或等于60伏特。
6.根据权利要求1至3之一的能量供给网络，其中直流电压中间回路（8）具有中间回路电容器（9），该中间回路电容器（9）在一侧与参考汇流排（T-）电连接并且在另一侧与用作储能器的储能器单元（5－1m、5－2m、5－3m）的背向参考汇流排（T-）的端子（A1、A2、A3）连接。
7.根据权利要求1至3之一的能量供给网络，其中直流电压中间回路（8）具有中间回路电容器（9），该中间回路电容器（9）在一侧与参考汇流排（T-）电连接并且在另一侧与储能器模块（4－1m、4－2m、4－3m）的背向参考汇流排（T-）的输出端处的端子（A1、A2、A3）连接，所述储能器模块（4－1m、4－2m、4－3m）包括用作储能器的储能器单元（5－1m、5－2m、5－3m）。
8.根据权利要求6的能量供给网络，其中在中间回路电容器（9）之后连接第一直流电压转换器（12），该第一直流电压转换器（12）将中间回路电容器（9）的第一电压水平匹配于另一储能器（13）的第二电压水平。
9.根据权利要求6的能量供给网络，其中在中间回路电容器（9）之前连接第二直流电压转换器（30），该第二直流电压转换器（30）将用作直流电压中间回路（8）的储能器的储能器单元（5－1m、5－2m、5－3m）的总电压匹配于中间回路电容器（9）的第一电压水平。
10.用于为根据权利要求1至9之一的能量供给网络中的至少一个用作直流电压中间回路（8）的储能器的储能器单元（5－1m；5－2m；5－3m）充电的方法，其中在电机（1）的、电流从电机（1）流到可控的储能器（2）中的运行阶段中，分配给用作直流电压中间回路（8）的储能器的储能器单元（5－1m、5－2m、5－3m）的所有耦合单元（6－1m、6－2m、6－3m）被控制为，使得所分配的储能器单元（5－1m、5－2m、5－3m）被接到相应的能量供给分支（3－1；3－2；3－3）中。
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