用于将电信号加入电化学供能装置中的电路布置结构的制作方法

本发明涉及借助调整装置将电交变信号加入电化学供能装置的方法，其中，在所述调整装置和所述供能装置之间在信号加载期间内串联接入耦合电容器。

本发明还涉及电路布置结构，可借此在技术上有利地实现根据本发明的方法。在此，它是用于借助调整装置将电交变信号加入电化学供能装置的电路布置结构，具有调整装置，用于输出对应于待加入的交变信号的用于加入供能装置中的输出信号，其中，该输出信号依据待加入的交变信号的至少一个在该调整装置侧设定的目标值来确定，还具有至少一个耦合电容器，其设于调整装置下游且至少在信号加入期间与供能装置串联。本发明还涉及换能系统，其具有电化学供能装置以及本发明的电路布置结构。表述“电化学供能装置”以下是指电化学能储蓄以及换能装置，其具有固有电压以及提供负载电流的能力。这样的换能装置的电流-电压特性曲线通常至少在局部是非线性的。

背景技术：

将信号加入电化学供能装置中例如可能在采用下述方法时是必需的：通过测量电压信号响应和/或电流信号响应能够推断出该电化学供能装置的工作状态。

这样的方法例如由文献EP 1 646 101 B1公开了，在此，例如将一个可预定的低频电流信号加入燃料电池堆中并且通过与在燃料电池堆上测定的响应信号(一般是电压信号)的比较、尤其通过比较两个信号的高次谐波部分可以推断出燃料电池堆的单独电池的工作状态。在一般具有非线性的电流-电压特性曲线的燃料电池堆中，可以通过将加载信号的高次谐波部分与因燃料电池堆的非线性特性而失真的响应信号的高次谐波部分相比较来推断出燃料电池堆的工作状态。

在EP 1 646 101 B1中，呈电流信号i(t)形式的输出信号(见EP 1 646 101 B1的图1)被加入燃料电池堆中。因为在根据EP 1 646 101 B1的图6的布置结构中，在待加载信号i(t)的信号源与燃料电池之间的传输路段基本上没有非线性，故在EP 1 646 101 B1中可以使输出信号i(t)直接与被加入燃料电池堆中的信号相关联起来。待加载信号的设定因此可以根据EP1 646 101 B1作为简单控制手段来进行。输出信号去往燃料电池堆所走过的传输路段的非线性此时无法被补偿。

技术实现要素：

因此，本发明的任务在于提供一种方法，其克服上述的缺点并且在此保证了待加载信号(实际信号)的实际值基本与待加载信号的目标值一致，确切说,无论传输路段是否具有非线性的传输特性。

该任务通过一种前言所述的方法来完成，在此根据本发明由调整装置执行以下步骤：

a)输出对应于待加入的交变信号的、用于加入供能装置中的输出信号，其中，该输出信号依据待加入的交变信号的“至少一个在调整装置侧设定的”目标值被确定，

b)采集对应于该输出信号的加在供能装置上的实际信号，

c)将该实际信号与待加入的交变信号的目标值相比较，

d)调整该输出信号以将所述实际信号与待加入的交变信号的目标值之差减至最小。

通过本发明的方法，可以将所述实际信号与待加入的交变信号的目标值之差减至最小，确切说，即便当至供能装置的传输路段具有非线性特性时也是如此。待加载信号优选是频率部分在0.1赫兹至20千赫之间、尤其在1赫兹至2千赫之间的交变信号。

尤其可以规定，待加入供能装置中的交变信号的目标值代表电流信号，加在供能装置上的实际信号代表所加入的电力信号的实际值。通过这种方式，可以将可预定的电流曲线馈入供能装置(以下也称为待检物)。所述调整此时按照电流调整形式来设计。呈电流信号形式的待加载电流的设定或者相应调整的设定具有以下优点：尤其在供能装置短路时的供能装置的阻抗变化未导致高到不允许的加载电流。

作为其备选方式可以规定，待加入供能装置中的交变信号的目标值代表电压信号，加在供能装置上的实际信号代表所加载的电压信号的实际值。通过这种方式来实现电压调整或电压加载。

还可以规定将电流调整与电压调整组合，就是说，预定电压信号和/或电流信号或值。通过这种方式，可以实现阻抗调整、导纳调整或功率调整。

还可以规定，将耦合电容器的实际电压与供能装置的实际电压进行比较以确定电压差，其中，

i)当高出可预定的第一值时切换至中断状态，在中断状态下，待加入的交变信号的加载被中断并且耦合电容器被切换至与供能装置并联以减小电压差，其中，最好在耦合电容器的并联期间将一电阻串联连接至耦合电容器，以限制耦合电容器的充电电流，和

ii)当在点i)之后低于可预定的第二值时切换至信号加载状态，在信号加载状态，将所述电容器切换至与供能装置串联，并且继续进行根据步骤a)-d)的信号加载。

在耦合电容器与供能装置之间电压差的测量和根据点i)的耦合电容器根据结果的充电以及随后根据点ii)的串联允许采集例如可能出现在供能装置工作中的电压波动并且相应调整电容器的电压水平，从而可以在点ii)中继续进行信号加载。如果并未高出可预定的第一值，则可以继续进行信号加载。当高出第一值时，信号加载被中断，并且只最早在低于第二值时才又继续信号加载。第一值通常略低于信号加载的供应电压并且针对约50伏大小的供应电压，例如可以在30伏至45伏之间，最好是小于等于40伏。第二值小于第一值且例如在第一值的20％到70％之间。在第一值例如为≤40伏时，第二值可以是≤15伏。

为了避免出现在信号加载侧的高到不允许的电流而可以规定，该输出信号被限制到一最大电流值、最好是最大2安培。

尤其可以规定，供能装置上的电压的变化过程以及流过供能装置的电流的变化过程得以测量，通过比较电压和电流的高次谐波部分来推断出供能装置的工作状态。

通过比较电压和电流的高次谐波部分来推断出供能装置工作状态的方法例如由EP 1 646 101 B1公开，并且被表述为术语“高次谐波分析”以及THDA(总谐波失真分析)。高次谐波分析被证明是一种可获知具有非线性电压-电流特性曲线的电化学供能装置的工作状态的可行方式。但是，用于获知电化学蓄能器/换能器的工作状态的高次谐波分析只是一个示例性的应用领域，在此期望将非线性失真系数小的信号加入电化学供能装置中。

在本发明的另一方面，前面提到的任务通过前言所述类型的电路布置结构来完成，在此，根据本发明，该调整装置按照被控的功率放大器形式构成，该被控的功率放大器在信号加载期间被反馈以至少一个对应于输出信号的加在供能装置上的实际信号，其中，该被控的功率放大器设立用于将加在供能装置上的实际信号与待加入的交变信号的目标值相比较并且调整该输出信号，以将待加入信号的目标值与实际信号之间的偏差减至最小。待加入信号的目标值例如可以通过信号发生器来设定。调整装置以被控的功率放大器形式构成，允许非线性失真系数极低地加载信号。

与本发明方法相似地可以规定，待加入供能装置中的交变信号的目标值代表电流信号，加在供能装置上的实际信号代表所加载的电流信号的实际值。通过这种方式得到电流调整。

作为其备选方式可以规定，待加入供能装置中的交变信号的目标值代表电压信号，加在供能装置上的实际信号代表所加入的电压信号的实际值。通过这种方式得到电压控制。

还可以规定：设定电流信号和/或电压信号。通过这种方式可以实现阻抗调整、导纳调整或功率调整。

还可以规定，该被控的功率放大器具有用于将电交变信号馈入供能装置中的信号输出端，其中，该电路布置结构还具有用于将被控的功率放大器的信号输出端可切换地连接至供能装置的开关机构，其中，该开关机构设立用于：将耦合电容器的实际电压与供能装置的实际电压相比较以确定电压差，并且

i)当高出可预定的第一值时切换至中断状态，在中断状态下，待加入的交变信号的加载被中断并且耦合电容器被切换至与供能装置并联以减小电压差，其中，最好是在耦合电容器并联期间，将电阻串联连接至该耦合电容器，以限制耦合电容器的充电电流，

ii)当在点i)之后低于可预定的第二值时切换至信号加载状态，在信号加载状态，所述电容器被切换至与供能装置串联以继续进行信号加载。

在此，耦合电容器被串联，使得在与供能装置串联时，在正负符号正确地累加时，这些电压减小，从而对于交变信号的输入，也能以低交变信号电压电平来进行。在此方面的一个极其有利的设计中可以规定，在信号输出端与耦合电容器之间设有至少一个第一开关元件，其中，还设有至少一个第二开关元件用于使耦合电容器与供能装置并联，所述耦合电容器优选与电阻串联设置以限制充电电流，其中，该开关机构设立用于：根据所确定的电压差来闭合第一开关元件以及打开第二开关元件，或反之。用于限制充电电流的电阻以欧姆电阻形式构成且设置在第二开关元件之前或之后。

尤其可以规定，在耦合电容器和信号输出端之间设有副电容器，其中，该耦合电容器和该副电容器以单极电容器、最好是电解质电容器的形式构成，并且去往供能装置是彼此相反极性地串联的，在这里，对两个电容器中的每一个分别并联至少一个二极管作为反极性保护机构，其中，第二开关元件在位于所述电容器之间的分支点与该耦合电容器相连。这样，可以利用很紧凑的连接结构实现待加载信号的输入，尤其是因为单极电容器在规定的结构体积情况下一般具有比双极电容器大许多的电容值。为了防止在电容器具有低电压值的情况下(例如因为供能装置的电压低)在所述电容器上的电压改变正负且电容器被热损伤而规定，所述电容器通过并联的尤其可以呈肖特基二极管形式的二极管被反极性保护。副电容器设置在该调整装置的信号输出端与该分支点之间，而耦合电容器设置在该分支点与供能装置之间，在这里，副电容器的耐压强度为耦合电容器的耐压强度的1/20至1/5，最好是1/13至1/8，其中，该副电容器的耐压强度尤其在40伏至60伏之间，而耦合电容器的耐压强度尤其在400伏至600伏之间。原则上，副电容器也可以被省掉。但是，可以通过副电容器来保证即便待检物的电压小于信号加载的供应电压(如50伏)也实现耦合电容器的“换极”。为了实现副电容器的均匀放电，最好一个欧姆电阻与副电容器并联。为了信号加载，信号输出端与供能装置的连接必须通过第一开关元件被闭合，使得待加载的交变信号可通过副电容器和耦合电容器的串联电路被传递至供能装置。就像例如被用于电动交通工具供电的现代电化学供能装置可以具有500伏及更高的工作额定电压。工作电压可以主要取决于供能装置的工作状态(即蓄能器或换能器)并且肯定具有达到额定电压的50％或更高的波动。

尤其可以规定，被控的功率放大器以D级功率放大器形式构成，其最好设立用于输出脉宽调制信号给信号输出端。脉宽调制信号具有在例如300-400千赫的开关频率下例如最大±50伏的信号电平。这样的D级功率放大器具有很高的信号质量，由此可以保证信号加载以低的非线性失真系数进行。被控的功率放大器最好以定时半桥拓扑形式(D级放大器)构成，以便能损耗小且高成效比和能效比地进行信号加载。信号加载的供应电压通常受到限制(如限制到±25伏至±50伏)。只要供电装置的电压小于信号加载的供应电压，理论上也可以无需添加耦合电容器地实现信号加载。

优选可以规定，该被控的功率放大器直至信号输出端尤其具有低通滤波器、尤其最好是D级放大器重构滤波器，用于对有待通过信号输出端加载的电交变信号进行平滑。

在本发明的另一方面，前面提到的任务通过一种换能系统来完成，它具有电化学供能装置以及根据本发明的用于将电交变信号加入电化学供能装置中的电路布置结构。

在此可以规定，该电化学供能装置是燃料电池或电池且尤其是镍氢电池或锂离子电池。燃料电池例如能以电解池形式运行。术语“燃料电池”不仅是指单独电池单元，也指由许多单独电池单元的串联电路构成的燃料电池堆。与此相似地，电池也可以由单独电池单元构成或者串联电路和/或并联电路具有多个电池单元。电化学供能装置的固有电压一般是直流电压。

附图说明

以下，结合如图3和图4所示的非限制性的示例性实施方式来详述本发明。其中：

图1是根据现有技术的用于将电交变信号馈入供能装置的布置结构的等效电路图，

图2示出根据图1的等效电路图的改进方案，

图3示出本发明实施方式的等效电路图，和

图4示出根据图3的实施方式的改进方案的细节图。

在以下附图中，相同的附图标记表示相同的零部件。

具体实施方式

图1示出了根据现有技术的、用于将电交变信号馈入供能装置的布置结构的等效电路图。在最简单情况下，电压源Ue对此就够用了，借此可以将交变信号加入电化学供能装置1中。供能装置1一般具有电容Ci以及内电阻Ri。

在供能装置1的已知的检查和故障诊断方法(例如EP 1646101 B1)中，供能装置1(以下也称为“待检物”)接收(被加载)检查信号并且对应的响应信号被测量和分析。因为待检物的负载信号(固有电压和负载电流)通常可以被视为随时间基本恒定的(DC＝直流＝直流信号)，故可以将其与检查和响应信号的周期性交变信号(AC＝交流)区分开并定界隔开。

为了能在根据图1的具有例如500V及以上的直流固有电压Ustack和约0.01欧姆的内电阻Ri的布置结构中将例如2安培的交流电流加入供能装置1中，需要施加交流电压Ue＝IAC*Ri(例如2A*0.01Ω＝0.02VAC)，其必须与500伏直流固有电压叠加。用根据图1的相应装置产生这种检查信号一般牵涉到高昂的设备技术成本和相应的费用，因为较高的电压、电流和功率需要比较昂贵的电路部件，它们还必须被小心保护起来以避免各种故障情况(电压增高、负载波动、紧急断开时的负载减少等)。

图2示出了根据图1的等效电路图的一个改进方案，在此设有耦合电容器Ck。该布置结构原则上对应于由EP 1646101 B1公开的电路。在所述EP 1646101 B1中提议，为了将交流信号与直流信号隔开而采用耦合电容器Ck，它接设在加载电路与供能装置1之间。但是，必须充电至高直流堆电压Ustack的耦合电容器Ck必须具备很大的电容如0.01F，以便还实现具有合理电压水平的低频交变信号的加载。例如电路布置结构的用于信号加载的供应电压应该大于32伏，以便在例如1赫兹的低频时能加载例如2安培的检查电流(U＝I^*Xc＝I*1/(ωC)＝2*1/(2*n*0.01)＝32V)。待加载的检查电流在根据EP 1646101 B1的电路中通过简单的控制装置来设定。在从加载电路直至供能装置的传输路段具有非线性特性的情况下，待加载信号被相应影响且沿传输路段失真。

图3示出了本发明实施方式的等效电路图，其根据本发明能够补偿传输路段的非线性特性并且通过调整输出信号Sout使待加入的交变信号的目标值Ssoll与实际信号Sist之差减至最小。图3示出了根据本发明的用于借助调整装置2将电交变信号加入电化学供能装置1中的电路布置结构3。电路布置结构3为此具有用于输出对应于待加入的交变信号的输出信号Sout的调整装置2和至少一个设于调整装置2之后的耦合电容器Ck。输出信号Sout依据待加入的交变信号的至少一个在调整装置2侧设定的目标值Ssoll(在本例子中通过信号发生器的输出信号Usoll来规定目标值Ssoll)被确定。耦合电容器CK在信号加载期间内与供能装置1串联。调整装置2以被控的功率放大器形式构成，该被控的功率放大器在信号加载期间被反馈以至少一个对应于输出信号Sout的加在供能装置1上的实际信号Sist，其中，该被控的功率放大器设立用于将加在供能装置1上的实际信号Sist与待加入的交变信号目标值Ssoll相比较并且调整该输出信号Sout以将待加载信号的目标值Ssoll与实际信号Sact之差减至最小。

调整装置2或功率放大器尤其具有信号输出端A1用于将电交变信号馈入供能装置1，其中，该电路布置结构3还具有开关机构4，用于将被控的功率放大器的信号输出端A1可切换地连接至供能装置1，其中，开关机构4设立用于将耦合电容器Ck的实际电压ULoad与供能装置1的实际电压Ustack相比较以便确定电压差，并且i)当高出可预定的第一值时切换至中断状态，在中断状态下，待加入的交变信号的加载被中断且耦合电容器Ck与供能装置1并联以减小电压差，在这里，最好是在耦合电容器Ck并联期间内将一电阻RBalance串联接至耦合电容器Ck，以限制充入耦合电容器Ck的充电电流，并且ii)在点i)之后低于可预定的第二值时切换至信号加载状态，在信号加载状态下，耦合电容器Ck与供能装置1串联以继续进行信号加载。

在本实施方式中，为此在信号输出端A1和耦合电容器Ck之间设置至少一个第一开关元件S1，在此，还设有至少一个第二开关元件S2用于使耦合电容器Ck与供能装置1并联，其中，该开关机构4设立用于根据所确定的电压差来闭合第一开关元件1和打开第二开关元件2，或反之。电压差的确定和开关元件1、2的控制例如可以通过能作为开关机构4的组成部分来构成的比较器COMP进行。

为了平滑输出信号Sout而最好规定，被控的功率放大器在信号输出端A1之前具有重构滤波器5、尤其是低通滤波器、尤其最好是D级放大器重构滤波器，借此将输出信号Sout传导至信号输出端A1。

如前所述，为了馈入低频信号(如1赫兹)而需要具有大电容的耦合电容器Ck，以便能在30-50伏电压情况下将2安培数量级的电流加入供能装置1。用于例如500伏高工作电压的大耦合电容器通常以单极电解质电容器形式获得。它们一般显示出足够高的线性特性，但需要以正确极性来驱动：就是说，在耦合电容器Ck上的电压差的正负符号必须总是相同的。当电化学供能装置1或待检物的固有电压Ustack(如500伏)总是高于待加入的交变信号的最大电压(如最大50伏)时，此驱动条件得到满足。

但如果待检物的固有电压比较小例如仅为5伏并且具有0.01F大小的耦合电容器为了在低检查频率(如1赫兹)时产生所需的大检查电流(如2安培)而必须以相应高的检查电压(如50伏)被控制，则用于作为耦合电容器Ck的电解质电容器的驱动条件未被满足。进一步造成了电容器损伤，这牵涉到相当高的安全技术风险(着火风险等)。为了也能应对此应用，在根据图4的本发明改进方案中提出一种合适的电路，可借此保护呈单极电容器形式的耦合电容器Ck。

图4示出了根据图3的实施方式的所述改进方案的细节图。在此，在耦合电容器Ck与信号输出端A1之间设有副电容器Ch，其中，该耦合电容器Ck和副电容器Ch以单极电容器、最好是电解质电容器的形式构成。这两个电容器Ch和Ck在去往供能装置1的方向上是彼此相反极性地串联的，其中，给这两个电容器中的每一个分别并联接上至少一个二极管且在这里是肖特基二极管D3、D4作为反极性保护机构。第二开关元件S2在位于所述电容器之间的分支点P2连接至耦合电容器Ck。为了实现副电容器Ch的缓慢放电，将具有如600-1000欧姆数量级的电阻值的电阻R-B50(具有50伏耐压强度)并联至副电容器Ch。该电阻可始终与副电容器Ch并联且将其放电，由此可以省掉设置另一个开关。因为副电容器Ch仅最高遇到电路布置结构3的供应电压(如50伏)，故它可以具有相比于耦合电容器Ck明显较低的耐压强度(如副电容器的50伏耐压强度和如耦合电容器的500伏耐压强度)。通过设有具有较低耐压强度的副电容器Ch，可以降低电路布置结构3的空间需求成本。例如电阻RBalance可具有500伏耐压强度和约220-250欧姆的值，以在500伏电压突变时将充入耦合电容器Ck的充电电流也限制到最大2安培。

比较器COMP优选是窗口比较器W-COMP1，其设立用于在点P3处的电压监测。开关元件S1、S2可以由比较器COMP来控制，从而当高出可预定的第一值时切换至中断状态，做法是第一开关元件S1被打开和第二开关元件S2被闭合，使得耦合电容器Ck可以通过待检物来充电，直至电压差低于预定的第二值，随后第二开关元件2被打开且第一开关元件1被闭合并可继续进行信号加载。通过这种做法可以保证耦合电容器Ck的电压跟随可变的待检物电压。

为此要考虑，如图4所示的改进方案示出了非线性传输特性并且造成传输信号的失真(曲线形状、非线性失真系数、高次谐波)。尤其在分析由待检物引起的、该响应信号中的相对于加载检查信号(例如根据EP1646101B1)的高次谐波部分、非线性失真系数或者THD(总谐波失真)时，当然尤其麻烦的是检查信号的实际曲线已经明显不同于检查信号的目标曲线，例如具有大的非线性失真系数。但传输路段的这样的非理想特性因为所述的本发明调整而不起效，由此一来，变化过程偏差、非线性失真系数、高次谐波部分等可以忽略不计，且待检物的响应信号相对于检查信号的目标曲线可被分析和用于故障诊断。

作为功率放大器，可以有利地采用本身针对声学应用所设想的廉价的D类放大器(开关放大器)，可利用其输出信号来控制FET功率开关和一般为了隔断相对高的开关频率所需要的重构滤波器(L,C,R)。在此情况下且为了产生用于功率电路通断的节拍频率(如300千赫)，或许可以采用另一个控制回路，其如常见的那样设计成自激振荡器且或许与电压调整用控制回路一起工作。此时被证明尤其有利的是已经在放大器模块中实现了用于保护敏感的功率电路的安全措施。在图3中，电容器C-IN象征AC耦合，从而AC信号可以通过信号发生器来加入。

本发明还涉及一种借助调整装置2将电交变信号加入电化学供能装置1中的方法，其中，在调整装置2和供能装置1之间在信号加载期间串联接有耦合电容器Ck，该方法具有由调整装置2执行的以下步骤：

a)输出对应于待加入的交变信号的且用于加入供能装置1中的输出信号Sout，其中，输出信号Sout依据待加入的交变信号的至少一个在调整装置2侧设定的目标值Ssoll来确定，

b)采集对应于输出信号的加在供能装置1上的实际信号Sist，

c)将实际信号Sist与待加入的交变信号的目标值Ssoll相比较，和

d)调整该输出信号Sout以将待加入的交变信号的目标值Ssoll与实际信号Sist之差减至最小。

本发明的另一个方面涉及一种换能系统，其具有电化学供能装置1以及本发明的电路布置结构3。

鉴于所述教导，本领域技术人员能够无需付出创造性劳动地获得本发明的其它的未示出的实施方式。因此，本发明不局限于所示实施方式。本发明的单独方面或实施方式也可以被研究和相互组合。本发明所基于的设想是重要的，其可由知晓了说明书的技术人员以各种方式实施，但还是维持原样。