储能器设备的衰减电路和用于衰减储能器设备的输出电流振荡的方法
【专利摘要】本发明涉及一种储能器设备的衰减电路，该储能器设备具有串联在一条或多条供能线路内的一个或多个储能器模块，所述储能器模块包括至少一个储能器单池和带有大量耦合元件的耦合设备，该耦合设备设计为，将储能器单池有选择地连接到或桥接到各自的供能线路内。衰减电路包括电流检测设备，其设计为检测供能线路或储能器设备的输出电流并产生取决于输出电流的输出电流信号；与电流检测设备耦合的调节电路，其设计为将输出电流信号调节到额定电流信号上并输出相应的电流调节信号；以及与调节电路耦合的脉冲宽度调制设备，其设计为在取决于电流调节信号的情况下以时钟方式控制至少一个储能器模块的耦合设备。
【专利说明】储能器设备的衰减电路和用于衰减储能器设备的输出电流振荡的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种储能器设备的衰减电路和一种用于衰减储能器设备的输出电流振荡的方法，特别是用于向作为可变电源出现的负载、例如电动水上或陆地车辆的驱动系统中的电机供应电压的电池变换器电路。
【背景技术】
[0002]情况表明，未来无论是在例如像风力发电设备或太阳能发电设备这种固定应用中，还是在如混合动力车辆或电动车辆这种车辆中，越来越多地使用将新的储能器工艺与电驱动技术加以组合的电子系统。
[0003]为将三相电流馈入电机内，传统上通过脉冲逆变器形式的逆变器，将由直流电压中间电路提供的直流电压转换为三相交流电压。直流电压中间电路由串联互连的电池模块构成的线路供电。为能够满足向各自应用给定的对功率和能量的要求，通常将牵引电池中的多个电池模块进行串联。这种储能器系统例如经常在电动车辆中使用。
[0004]多个电池模块的串联电路带来的问题是，如果唯一的电池模块失效的话，整个线路失效。供能线路的这种失效可能导致总系统失效。此外，单个电池模块偶尔或永久出现的功率降低可能会导致整个供能线路中的功率降低。
[0005]文献DE10 2010 027 857 Al 和 DE 10 2010 027 861 Al 公开了储能器设备中模块式互连的电池单池，这些储能器设备通过耦合单元的适当控制，可以有选择地耦合到由串联互连的电池单池组成的线路中或从该线路断开。这种类型的系统以Battery DirectConverter (电池直接转换器，BDC)的名称公知。这种系统包括储能器模块线路中的直流电源，为通过脉冲逆变器向电机或电网供应电能，所述直流电源可与直流电压中间电路连接。
[0006]BDC与传统的系统相比通常具有更高的效率和更高的防失效性。防失效性尤其是通过以下方式得到保证，即有故障的、失效的或效率不完全的电池单池通过耦合单元的适当桥接控制可以从供能线路中退出。
[0007]储能器模块线路在此方面具有多个串联的储能器模块，其中，每个储能器模块具有至少一个电池单池和所分配的可控耦合单元，该耦合单元能够在取决于控制信号的情况下分别桥接所分配的至少一个电池单池或分别将所分配的至少一个电池单池连接到各自的储能器模块线路内。可选地，耦合单元可以这样构成，其附加地能够分别将所分配的至少一个电池单池也以相反的极性连接到各自的储能器模块线路内或也断开各自的储能器模块线路。
[0008]BDC的总输出电压通过耦合单元的控制状态加以确定并可以被分级地调整，其中，总输出电压的级取决于储能器模块的单个电压。根据储能器模块及其部件的本征复数电阻，储能器设备以及后置连接的中间电路电容器作为谐振电路工作。这种谐振电路的谐振频率可以随着根据电压需求而不同的接入的储能器模块数量和时钟速率而变化。这一点意味着，在将储能器设备耦合到作为可变电源作用的负载、例如逆变器和连接在逆变器之后的电机上时，可能出现不希望的谐振。
[0009]因此存在对以下措施的需求，利用这些措施可以减少或抑制在将BDC耦合到用于向作为可变电源作用的负载供电的中间电路电容器上时出现这种谐振或电流波动。
【发明内容】
[0010]本发明依据一种实施方式提供一种储能器设备的衰减电路，该储能器设备具有串联在供能线路内的一个或多个储能器模块，所述储能器模块包括至少一个储能器单池和带有大量耦合元件的耦合设备，该耦合设备设计为，将储能器单池有选择地连接到或桥接到各自的供能线路内。衰减电路包括电流检测设备，该电流检测设备被设计为检测储能器设备的输出电流并产生取决于输出电流的输出电流信号；调节电路，该调节电路与电流检测设备耦合和设计为将输出电流信号调节到额定电流信号上并输出相应的电流调节信号；以及脉冲宽度调制设备，该脉冲宽度调制设备与调节电路耦合和设计为在取决于电流调节信号的情况下以时钟的方式控制至少一个储能器模块的耦合设备。
[0011]依据另一种实施方式，本发明提供一种系统，该系统包括储能器设备，其具有串联在一条或多条供能线路内的一个或多个储能器模块，所述储能器模块包括至少一个储能器单池和带有大量耦合元件的耦合设备，该耦合设备设计为，将储能器单池有选择地连接到或桥接到各自的供能线路内，该系统还包括依据本发明的衰减电路。
[0012]依据另一种实施方式，本发明提供一种用于衰减储能器设备的输出电流振荡的方法，该储能器设备具有串联在一条或多条供能线路内的一个或多个储能器模块，所述储能器模块包括至少一个储能器单池和带有大量耦合元件的耦合设备，该耦合设备设计为，将储能器单池有选择地连接到或桥接到各自的供能线路内。该方法包括的步骤有，检测供能线路或储能器设备的输出电流，产生取决于所检测的输出电流的输出电流信号，将输出电流信号调节到额定电流信号上，输出与调节相应的电流调节信号，以及以时钟的方式控制至少一个储能器模块的耦合设备，以产生补偿储能器设备的输出电流内波动的补偿电流。
[0013]本发明的优点
[0014]本发明的思路是，使具有由储能器模块的串联电路组成的模块式构建的供能线路的储能器设备的输出电流与补偿电流叠加，从而由于通过储能器设备供电的可变电源的电流波动而产生的谐振得到衰减。在此方面，检测储能器设备的输出电流并在取决于所检测的输出电流或输出电流内波动的情况下，在储能器设备内本身内有源地产生补偿电流。为此可以使用储能器设备的至少一个储能器模块，该储能器模块在脉冲宽度调制的控制运行下运行，以实现补偿电流。在其振幅上得到灵活适配的补偿电流在此方面用于对可能的谐振进行有源衰减。
[0015]通过这种衰减，车载电网谐振可以在功率路径内无附加损耗的情况下得到衰减。通过经由电流反馈回路的自调节，具有优点地可以使衰减与谐振频率的位置和谐振电路的品质相适配，而与储能器设备的瞬间运行状态无关。特别是不再需要测量出储能器设备的谐振频率。对在储能器设备的运行持续期间可能例如由于老化或例如通过较长的高压线路导致的系统拓扑结构的变化而出现的变化，也通过衰减电路得到灵活和自动补偿。
[0016]通过有源调节，可以具有优点的方式通过可调的频率范围选择衰减度。衰减电路的设计和调节参数在此方面与连接在储能器设备上的中间电路电容器的瞬间值无关。
[0017]衰减电路可以具有优点地在传统的车载电网中使用。此外，已经存在的部件，例如储能器设备的储能器模块之一可以在衰减电路的构成上加以利用，这样降低成本、减少开支和降低结构空间需求。此外可以具有优点的方式取消向产生补偿电流的构件供电，因为该构件已经与储能器设备一体化并因此通过该储能器设备本身供应能量。
[0018]依据本发明衰减电路的一种实施方式，衰减电路此外可以包括带通滤波器，该带通滤波器耦合在电流检测设备与调节电路之间和设计为，滤除在可预先规定的频率范围外的输出电流信号的频率部分。这样可以具有优点的方式在临界的谐振频率范围内进行按需求的衰减，从而在非临界的范围内不进行衰减并因此没有不必要的资源消耗。但特别是在本来必须使用大功率进行有源衰减的频率范围内，电流波动性的衰减不一定需要，这样可以使衰减电路的效率得到提高。
[0019]依据本发明衰减电路的另一种实施方式，脉冲宽度调制设备可以设计为，这样控制至少一个储能器模块的耦合设备，使至少一个储能器模块产生补偿储能器设备的输出电流内波动的补偿电流。这样可以实现高度的兼容性，因为不需要本来就不是用于控制储能器设备的控制信号。
[0020]依据本发明衰减电路的另一种实施方式，调节电路可以具有从额定电流信号中减去输出电流信号的求和元件和在取决于求和元件的输出信号情况下产生电流调节信号的电流调节器。
[0021]依据本发明系统的一种实施方式，该系统此外可以具有与储能器设备的输出接线端耦合的直流电压中间电路。具有优点的是，该系统此外可以包括与直流电压中间电路耦合的逆变器和与该逆变器耦合的电机。在此方面，该逆变器可以设计为，将直流电压中间电路的电压转换成电机的输入电压。这一点特别具有优点，因为该系统可以从作为可变电源的逆变器和电机中通过直流电压中间电路将具有取决于频率的波动的电流反馈到储能器设备内。这些取决于频率的波动可以通过衰减电路得到特别好的衰减。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]本发明实施方式的其他特征和优点来自后面参照附图的说明。其中:
[0023]图1示出依据本发明的一种实施方式具有储能器设备和衰减电路的系统的示意图；
[0024]图2示出依据本发明的另一种实施方式的储能器设备的储能器模块的一个实施例的不意图；
[0025]图3示出依据本发明的另一种实施方式的储能器设备的储能器模块的另一实施例的不意图；以及
[0026]图4示出依据本发明的另一种实施方式用于衰减储能器设备的输出电流振荡的方法的示意图。
【具体实施方式】
[0027]图1示出一种包括储能器设备10的系统，该储能器设备用于通过在储能器设备10的两个输出接线端la、lb之间串联在供能线路内的储能器模块3提供供电电压。储能器设备10也可以替换地具有多条并联的供能线路。储能器设备10根据对储能器模块3的控制而作为可变输出电流的电源。
[0028]储能器设备10在此方面可以通过储能器设备10的输出接线端Ia上的储能器电感2a与直流电压中间电路9a的输入接线端耦合。储能器电感2a例如可以通过一个集总的元件、如限流线圈或多个分配的元件实现。替换地，储能器设备10的寄生电感也可以作为储能器电感2a使用。通过相应地控制储能器设备10，可以控制向直流电压中间电路9a内的电流流动。如果储能器电感2a前面的平均电压高于瞬间的中间电路电压，那么电流向直流电压中间电路9a内进行流动，如果储能器电感2a前面的平均电压相反低于瞬间的中间电路电压，那么电流向储能器设备10内进行流动。最大电流在此方面通过储能器电感2a与直流电压中间电路9a的共同作用限制。
[0029]储能器设备10具有至少两个串联在供能线路内的储能器模块3。例如图1中储能器模块3的数量为2，但同样可以是其他任何数量的储能器模块3。储能器模块3分别具有两个输出接线端3a和3b，通过它们可以提供储能器模块3的模块输出电压。储能器模块3的模块输出电压可以选择地相加成储能器设备10的总输出电压。
[0030]一个或多个储能器模块3可以作为储能器模块30构成。储能器模块30在此方面作为储能器设备10内补偿电流的内部产生模块使用，正如下面详细介绍的那样。
[0031]储能器模块3的示例性结构形式在图2和3中更为详细地示出。储能器模块3分别包括具有多个耦合元件7a和7c以及需要时7b和7d的耦合设备7。储能器模块3此外分别包括具有一个或多个串联的储能器单池5a、5k的储能器单池模块5。图1中的储能器模块30在此方面可以类似于储能器模块3构建，区别在于，储能器模块30可以通过单独的脉冲宽度调制设备4加以控制。
[0032]储能器单池模块5在此方面例如可以具有串联的电池5a_5k，例如锂离子电池或锂离子蓄电池。在此方面，储能器单池5a-5k的数量在图2所示的储能器模块3中例如为2，但同样可以是其他任何数量的储能器单池5a-5k。
[0033]储能器单池模块5通过连接线路与所属的耦合设备7的输入接线端连接。耦合设备7在图2中例如作为各具有两个耦合元件7a、7c和两个耦合元件7b、7d的全桥电路构成。耦合元件7a、7b、7c、7d在此方面可以分别具有有源的开关元件，例如半导体开关，和与该开关元件并联的自振荡二极管。半导体开关例如可以具有场效应晶体管(FET)。在这种情况下，自振荡二极管也可以分别与半导体开关一体化。
[0034]图2中的耦合元件7a、7b、7c、7d可以这样被控制，使储能器单池模块5有选择地连接在输出接线端3a与3b之间或桥接储能器单池模块5。因此通过适当控制耦合设备7，可以有针对性地使储能器模块3的各个储能器单池模块5与供能线路的串联电路一体化。
[0035]参照图2，储能器单池模块5例如在正向上可以连接在输出接线端3a与3b之间，方法是将耦合元件7d的有源开关元件和耦合元件7a的有源开关元件置于闭合状态，而耦合元件7b和7c的两个其余有源开关元件则置于断开状态。在这种情况下，耦合设备7的输出端子3a与3b之间施加电压Umo 一种桥接状态例如可以通过以下方式得到调整，即将耦合元件7a和7b的两个有源开关元件置于闭合状态，而将耦合元件7c和7d的两个有源开关元件置于断开状态。第二桥接状态例如可以通过以下方式得到调整，即将耦合元件7c和7d的两个有源开关置于闭合状态，而将耦合元件7a和7b的有源开关元件保持在断开状态。在两种桥接状态下，耦合设备7的两个输出端子3a与3b之间施加电压O。储能器单池模块5在反向上同样可以连接在耦合设备7的输出接线端3a与3b之间，方法是将耦合元件7b和7c的有源开关元件置于闭合状态，而耦合元件7a和7d的有源开关元件则置于断开状态。在这种情况下，耦合设备7的两个输出端子3a与3b之间施加电压_UM。
[0036]供能线路的总输出电压在此方面分别可以被分级调整，其中，级的数量随着储能器模块3的数量加减。在第一和第二储能器模块3的数量为η时，供能线路的总输出电压可以在-η.UM，...0，...，+η.Um之间的2η+1个级内调整。
[0037]图3示出储能器模块3的另一示例实施方式。图3中所示的储能器模块3与图2中所示的储能器模块3的区别仅在于，耦合设备7具有两个，而不是四个耦合元件，这些耦合元件互连为半桥电路而不是全桥电路。
[0038]在所示的实施方案中，有源开关元件作为例如IGBT(Insulated Gate BipolarTransistors,绝缘栅双极晶体管)、JFET (Junct1n Field-Effect Transistor,结型场效应晶体管)形式的功率半导体开关或作为MOSFET(Metal Oxide SemiconductorField-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)实施。
[0039]利用親合元件7a、7b、7c、7d，供能线路的输出电压通过适当控制可以在从负最大值到正最大值的级中变化。电压电平的等级在这种情况下取决于各个储能器单池模块5的级。例如，为了获得两个通过储能器单池模块5的级预先规定的电压级之间的平均电压值，储能器模块3的耦合元件7a、7b、7c、7d可以被以时钟方式控制，例如在脉冲宽度调制(PWM)中，从而相关的储能器模块3以时间平均值提供模块电压，其可以具有零与通过储能器单池5a_5k确定的最大可能的模块电压之间的值。親合元件7a、7b、7c、7d的控制在此方面例如可以通过控制设备进行，该控制设备设计为，例如利用下级电压控制装置进行电流调节，从而可以进行各个储能器模块3的分级接通或断开。
[0040]图1中的系统除了储能器设备10外，还包括逆变器12以及电机13。例如，图1中的系统用于三相电机13的供电。但还可以规定储能器设备I用于为供能网产生电流。作为替换，电机13也可以是同步或异步电动机、磁阻机或无电刷的直流电动机(BLDC，“brushlessDC motor”)。在此方面，储能器设备10也可以在固定系统中使用，例如在发电厂、电能量生产设备(例如风力发电设备、光伏设备或热电耦合设备)，储能器设备(例如气动储能发电厂、电池储能发电厂、飞轮储能器、泵储能器或类似的系统)中使用。图1中系统的另一种应用可能性是为在水上或水下连续运动设计的客运或货运交通工具，例如船舶、摩托艇或诸如此类的交通工具。
[0041]直流电压中间电路9a在图1的示例性实施方式中向脉冲逆变器12供电，该脉冲逆变器从直流电压中间电路9a的直流电压中提供三相交流电压给电机13。但为逆变器12也可以根据电机13要求的供电电压使用任何其他类型的变换器类型，例如直流电压变换器。逆变器12例如可以在空间矢量调制的脉冲宽度调制(SVPWM，” space vector pulsewidth modulat1n”，空间矢量脉冲宽度调制)中运行。
[0042]通过逆变器12的控制和电机13的变换的功率消耗，逆变器和电机的组合相对于直流电压中间电路9a起到可变电源的作用，该组合可以激励由储能器设备10、储能器电感2a和直流电压中间电路9a组成的振荡电路发生谐振。该振荡电路的谐振频率尤其是取决于所接入的储能器模块3的数量、中间电路电压的瞬间值和储能器电感的内含能量。此外，谐振频率可能会承受例如可以取决于构件公差、构件老化、温度和其他影响的长期波动。为减少这些振荡并因此降低电流去往直流电压中间电路9a和从其离开的波动性，有必要采取可以衰减这种谐振或电流波动性的措施。
[0043]为此在图1的系统中，作为衰减电路的部分具有电流检测设备8，其被设计为，检测储能器设备10的输出电流并产生取决于输出电流的输出电流信号。电流检测设备8例如可以具有电流传感器8a，其检测从直流电压中间电路9a向储能器设备10内流动的电流或从储能器设备10向直流电压中间电路9a内流动的电流。
[0044]电流检测设备8也可以这样设计，即在具有多条供能线路的储能器设备10的内部，在每条供能线路上检测输出电流信号。由此可以单独调节每条供能线路，特别是因为每条供能线路与直流电压中间电路9a —起形成自己的谐振电路。
[0045]该系统此外包括调节电路6作为衰减电路的部分，该调节电路与电流检测设备8耦合和设计为，将输出电流信号调节到额定电流信号6c上并输出相应的电流调节信号。调节电路6为此可以具有从额定电流信号6c中减去输出电流信号的求和元件6b。利用电流调节器6a可以在取决于求和元件6b的输出信号情况下产生电流调节信号。额定电流信号6c例如可以是零。作为替换，也可以为额定电流信号6c预先规定其他任何值。电流调节器6a例如可以是PI调节器或PID调节器。
[0046]电流调节信号可以被馈入到脉冲宽度调制设备4内，该脉冲宽度调制设备与调节电路6耦合和设计为，在取决于电流调节信号的情况下以时钟方式控制至少一个储能器模块30的耦合设备7或耦合元件7a、7b、7c、7d。在此方面如图1所示，专用的储能器模块30可以与脉冲宽度调制设备4耦合。作为替换，也可以所有或多个储能器模块30与脉冲宽度调制设备4耦合。储能器模块30的控制可以周期性交换，从而在时间平均上来说每个储能器模块3均匀地有助于产生补偿电流。
[0047]脉冲宽度调制设备4在图1的示例中可以设计为，这样控制至少一个储能器模块30的耦合设备7，使至少一个储能器模块30产生补偿储能器设备10的输出电流内波动的补偿电流。作为替换或附加，脉冲宽度调制设备4在控制至少一个储能器模块30时可以考虑其他的传感数值，例如直流电压中间电路9a内的中间电路电压或逆变器12内的电流。
[0048]利用脉冲宽度调制设备4可以具有优点的方式利用储能器设备10内已经存在的结构元件，以便这样调节储能器设备10的输出电流，使来自可变电源14的反馈得到有源衰减。
[0049]可选地，可以设置带通滤波器11，其耦合在电流检测设备8与调节电路6之间和设计为，滤除在可预先规定的频率范围外的输出电流信号的频率部分。这样例如阻止对以下频率范围内有源衰减的干预，在这些频率范围内，为调节电流波动性需要大的功率，但不要求或不明显要求降低电流波动性。
[0050]图4示出一种示例性方法20的示意图，该方法用于衰减储能器设备、特别是储能器设备10的输出电流振荡，正如结合图1-4介绍的那样。方法20为此例如可以利用如图1和4所示的衰减电路。
[0051]用于衰减储能器设备10的输出电流振荡的方法20包括:在第一步骤21中检测储能器设备的输出电流。在第二步骤22中，产生取决于所检测的输出电流的输出电流信号。在第三步骤23中，将输出电流信号调节到额定电流信号上。此后在第四步骤24中，输出与调节相应的电流调节信号，在此基础之上的步骤25中，以时钟方式控制25至少一个储能器模块3的耦合设备7，以产生补偿储能器设备10的输出电流内波动的补偿电流。
[0052]分别受控的储能器模块3可以周期性交换，从而每个储能器模块3可以交替负责产生补偿电流。这一点可以使具有衰减功能的储能器模块3均衡满载或负载。对耦合设备7的以时钟方式的控制在此方面可以包括在脉冲宽度调制(PWM)的控制运行中控制各自的親合元件7a_7d。
【权利要求】
1.储能器设备(10)的衰减电路，该储能器设备具有串联在供能线路内的一个或多个储能器模块(3 ;30)，所述储能器模块包括至少一个储能器单池(5a.....5k)和带有大量耦合元件的耦合设备(7)，该耦合设备被设计为，将储能器单池(5a.....5k)有选择地连接到或桥接到各自的供能线路内，该衰减电路包括: 电流检测设备(8)，其设计为检测储能器设备(10)的输出电流并产生取决于该输出电流的输出电流信号； 与电流检测设备(8)耦合的调节电路(6)，其设计为将输出电流信号调节到额定电流信号(6c)上并输出相应的电流调节信号；以及 与调节电路(6)耦合的脉冲宽度调制设备(4)，其设计为在取决于电流调节信号的情况下以时钟方式控制至少一个储能器模块(30)的耦合设备(7)。
2.按权利要求1所述的衰减电路，此外包括:带通滤波器(11)，其耦合在电流检测设备(8)与调节电路(6)之间并设计为，滤除在可预先规定的频率范围外的输出电流信号的频率部分。
3.按权利要求1和2之一所述的衰减电路，其中，脉冲宽度调制设备(4)设计为，控制至少一个储能器模块(30)的耦合设备(7)，使至少一个储能器模块(30)产生补偿储能器设备(10)的输出电流内波动的补偿电流。
4.按权利要求1-3之一所述的衰减电路，其中，调节电路(6)具有从额定电流信号(6c)中减去输出电流信号的求和元件(6b)和在取决于求和元件(6b)的输出信号情况下产生电流调节信号的电流调节器(6a)。
5.系统，包括: 储能器设备(10)，其具有串联在一条或多条供能线路内的一个或多个储能器模块(3;30)，所述储能器模块包括至少一个储能器单池(5a.....5k)和带有大量耦合元件的耦合设备(7)，该耦合设备设计为，将储能器单池(5a.....5k)有选择地连接到或桥接到各自的供能线路内；以及 按权利要求1-4之一所述的衰减电路。
6.按权利要求5所述的系统，此外包括:与储能器设备(10)的输出接线端(la、lb)耦合的直流电压中间电路(9a)。
7.按权利要求6所述的系统，此外包括: 与直流电压中间电路(9a)耦合的逆变器(12);以及 与逆变器(12)耦合的电机(13)， 其中，逆变器(12)设计为，将直流电压中间电路(9a)的电压转换成电机(13)的输入电压。
8.用于衰减储能器设备(10)的输出电流振荡的方法(20)，该储能器设备具有串联在一条或多条供能线路内的一个或多个储能器模块(3 ;30)，所述储能器模块包括至少一个储能器单池(5a.....5k)和带有大量耦合元件的耦合设备(7)，该耦合设备设计为，将储能器单池(5a.....5k)有选择地连接到或桥接到各自的供能线路内，该方法包括的步骤有: 检测(21)供能线路或储能器设备(10)的输出电流； 产生(22)取决于所检测的输出电流的输出电流信号； 将输出电流信号调节(23)到额定电流信号(6c)上； 输出(24)与调节相应的电流调节信号； 以时钟方式控制(25)至少一个储能器模块(30)的耦合设备(7)，以产生补偿储能器设备(10)的输出电流内波动的补偿电流。
【文档编号】H02J7/00GK104488161SQ201380030507
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2013年5月13日 优先权日:2012年6月11日
【发明者】M·凯斯勒 申请人:罗伯特·博世有限公司