具有储能器装置的电驱动系统和运行储能器装置的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种具有用于储能器装置的充电电路的电驱动系统和一种用于运行 储能器装置的方法，尤其是在以直流电压为电池直接变换器充电的情况下。
【背景技术】
[0002] 显现出：在将来不仅在诸如风力设备或太阳能设备的固定应用中而且在车辆如混 合动力车辆或电动车辆中越来越多地使用将新储能器技术与电驱动技术相结合的电子系 统。
[0003] 多相电流馈送进电机中通常通过脉宽逆变器形式的变换器来实现。为此，由直流 电压中间电路提供的直流电压可以变换为多相交流电压，例如三相交流电压。直流电压中 间电路在此由串联接线的电池模块构成的一个分支来馈电。为了能够满足针对相应的应用 对功率和能量所给出的要求，通常在牵引电池中串联多个电池模块。
[0004] 多个电池模块的串联电路带来了如下问题：当唯一一个电池模块故障时，整个分 支故障。能量供给分支的这样的故障可导致整个系统故障。此外，单个电池模块的暂时或 持久出现的效率降低可导致整个能量供给分支的效率降低。
[0005] 在印刷物US 5, 642, 275 A1中描述了一种带有集成逆变器功能的电池系统。这类 系统以名称Multilevel Cascaded Inverter (多电平级联逆变器）或者Battery Direct Inverter (电池直接逆变器，BDI)而已知。这样的系统在多个储能器模块分支中包括直流 电源，其可以直接连接到电机或电网上。在此，可以生成单相或多相供给电压。储能器模块 分支在此具有多个串联连接的储能器模块，其中每个储能器模块具有至少一个电池单池和 关联的可控耦合单元，耦合单元允许根据控制信号将分别关联的至少一个电池单池跨接或 将分别关联的至少一个电池单池连接到相应的储能器模块分支中。在此，耦合单元可以构 建为使得其附加地允许将分别关联的至少一个电池单池也以相反的极性连接到相应的储 能器模块分支中或者也将相应的储能器模块分支中断。通过例如借助脉宽调制适当操控耦 合单元也可以提供适于控制相输出电压的相信号，使得可以放弃单独的脉冲逆变器。控制 相输出电压所需的脉冲逆变器由此可以说集成到BDI中。
[0006] BDI相对于传统系统通常具有更高的效率、更高的故障安全性和其输出电压的明 显更小的谐波成分。故障安全性尤其通过如下方式来保证：有缺陷的、出故障的或功能不完 整的电池单池通过对与其关联的在能量供给分支中的耦合单元的适当操控可以被跨接。储 能器模块分支的相输出电压可以通过相应地操控耦合单元而变化并且尤其是分级地调节。 输出电压的阶梯在此由各储能器模块的电压得出，其中最大可能的相输出电压通过储能器 模块分支的所有储能器模块的电压之和来确定。
[0007] 印刷物 DE 10 2010 027 857 A1 和 DE 10 2010 027 861 A1 例如公开了电池直接 逆变器，其带有多个电池模块分支，这些电池模块分支可以直接连接到电机上。
[0008] 在BDI的输出端上不提供恒定的直流电压，因为储能器单元被划分到不同的储能 器模块上并且储能器单元的耦合装置必须被有目的地操控以产生电压电平。通过分配，BDI 基本上并不作为直流电压源例如为电动车辆的车载电源馈电所使用。相应地，通过传统直 流电压源对储能器单元充电也不容易实现。
[0009] 因此，需要用于储能器装置的充电电路和用于运行该储能器装置的方法，利用其 可以使用直流电压来对储能器装置的储能器单池充电，并且该充电电路也可以用于对储能 器装置充电，同时同样提供输出电压以运行电机和/或直流电压车载电源。
【发明内容】
[0010] 根据第一方面，本发明提出一种电驱动系统，其具有：储能器装置，该储能器装置 具有多个数目为n的能量供给支路，所述能量供给支路分别具有多个储能器模块用于在储 能器装置的多个数目为n的输出端子上产生交流电压，其中n > 1 ;(n-l)相电机，所述电 机的相端子分别与储能器装置的n-1个输出端子中的一个连接，并且所述电机的星形点与 储能器装置的输出端子的其余输出端子连接；第一半桥电路，所述第一半桥电路具有多个 第一馈电端子，所述第一馈电端子分别与储能器装置的输出端子中的一个耦合；第一馈电 节点，所述第一馈电节点与第一半桥电路耦合；第二馈电节点，所述第二馈电节点与储能器 装置的参考电势汇流排耦合；转换器电抗器，所述转换器电抗器连接在第一馈电节点与第 一半桥电路之间；二极管半桥，所述二极管半桥耦合在第一馈电节点与第二馈电节点之间； 以及馈电电路，所述馈电电路被设计为在第一馈电节点与第二馈电节点之间至少分时地提 供充电直流电压。
[0011] 根据另一方面，本发明提出了一种用于运行在根据本发明的一个方面的电驱动系 统中的储能器装置的方法。该方法包括如下步骤：将（n-1)相电机的相端子中的第一相端 子上的第一机器电压设定为储能器装置的输出端子的n-1个输出端子中的第一输出端子 的输出电压与储能器装置的输出端子的其余输出端子的输出电压之差；以及将（n-1)相电 机的相端子中的第二相端子上的第二机器电压设定为储能器装置的输出端子的n-1个输 出端子中的第二输出端子的输出电压与储能器装置的输出端子的其余输出端子的输出电 压之差，其中在向量图中第一机器电压相对于第二机器电压有相移，其中相移优选为90°。
[0012] 本发明的优点 充电电路与储能器装置、尤其是电池直接变换器的输出端耦合，使得用于对储能器装 置的储能器单池充电的直流电流可以馈送到储能器装置的输出端中。为此设置，半桥作为 馈电装置分别耦合到储能器装置的输出端子上，借助该半桥可以将充电电路的充电电流通 过所有输出端子引导进储能器装置中并且通过半桥的参考电势汇流排又从储能器装置引 导出来。在此特别有利的是，直流电压截取装置的两个半桥中的一个可以用作充电电路的 馈电装置，该半桥已经存在用于提供另一直流电压电平，例如用于从储能器装置为车载电 源的中间电路电容器馈电。
[0013] 本发明的构思是，通过储能器装置配备附加的平衡支路来保持一般的拓扑结构， 所述附加的平衡支路耦合在储能器装置的参考电势汇流排与所连接的电机的星形点之间。 由此，参考电势汇流排以及电机的星形点的电势可以彼此分开地设定，而电机的相电压本 身不必改变。这一方面使得能够即使在电机的运行电压低时也实现电势的星形点移动用以 生成用于对储能器装置的储能器模块充电的足够的充电电压，而另一方面能够在电机的实 际运行期间实现储能器装置的充电运行。
[0014] 此外，通过附加的平衡支路可以调整其余能量供给支路的功率输出或消耗，其方 式是：附加的平衡支路的相应输出电压与电机的相应运行模式匹配。
[0015] 按照根据本发明的电驱动系统的一个实施形式，第一半桥电路可以具有多个半导 体开关，所述半导体开关分别耦合在第一馈电节点与多个第一馈电端子之间。
[0016] 按照根据本发明的电驱动系统的另一个实施形式，第一半桥电路还可以具有多个 二极管，所述二极管分别耦合在第一馈电节点与多个第一馈电端子之一之间。
[0017] 按照根据本发明的电驱动系统的另一个实施形式，第一半桥电路还可以具有多个 换向电抗器，所述换向电抗器分别耦合在多个二极管或半导体开关与第一馈电节点之间。
[0018] 按照根据本发明的电驱动系统的另一实施形式，根据本发明的电驱动系统还可以 具有第二半桥电路，所述第二半桥电路具有多个第二馈电端子，所述第二馈电端子分别与 储能器装置的输出端子中的一个耦合，其中第二半桥电路与第二馈电节点连接。根据一个 实施形式，第二半桥电路在此可以具有多个半导体开关，所述半导体开关分别耦合在第二 馈电节点与多个第二馈电端子之一之间。
[0019] 按照根据本发明的电驱动系统的另一实施形式，第二半桥电路还可以具有多个二 极管，所述二极管分别耦合在第二馈电节点与多个第二馈电端子之一之间。
[0020] 按照根据本发明的电驱动系统的另一实施形式，第二半桥电路还可以具有多个换 向电抗器，所述换向电抗器分别耦合在多个二极管或半导体开关与第二馈电节点之间。
[0021] 按照根据本发明的电驱动系统的另一实施形式，电驱动系统还可以具有：第一参 考电势开关，所述第一参考电势开关耦合在储能器装置的参考电势汇流排与第一馈电节点 之间；和第二参考电势开关，所述第二参考电势开关耦合在储能器装置的参考电势汇流排 与第二馈电节点之间。
[0022] 按照根据本发明的电驱动系统的另一实施形式，与第一参考电势开关可以串联连 接有第一参考电势二极管，而与第二参考电势开关可以串联连接有第二参考电势二极管。
[0023] 按照根据本发明的电驱动系统的另一实施形式，与第一参考电势开关可以串联连 接有第一换向电抗器，而与第二参考电势开关可以串联连接有第二换向电抗器。
[0024] 按照根据本发明的电驱动系统的另一实施形式，馈电电路可以具有馈电电容器， 该馈电电容器耦合在充电电路的两个输入端子之间，并且该馈电电容器设计为提供充电直 流电压用于为储能器模块充电。
[0025] 按照根据本发明的电驱动系统的另一实施形式，馈电电路可以具有变压器，该变 压器的初级绕组耦合在充电电路的两个输入端子之间；以及具有全桥整流器，该全桥整流 器耦合到变压器的次级绕组上，并且该全桥整流器设计为提供脉冲式充电直流电压用于为 储能器模块充电。
[0026] 按照根据本发明的电驱动系统的另一实施形式，电机可以是两相电机、尤其是横 向磁通机（Transversalflussmachine ) 〇
[0027] 本发明的其他特征和优点从以下参考所附的附图的描述来得出。
【附图说明】
[0028] 图1示出了具有储能器装置的系统的示意图； 图2示出了储能器装置的储能器模块的示意图； 图3示出了储能器装置的储能器模块的示意图； 图4示出了具有根据本发明的一个实施形式的直流电压截取装置、充电电路和储能器 装置的系统的示意图； 图5示出了具有根据本发明的另一实施形式的直流电压截取装置、充电电路和储能器 装置的系统的示意图； 图6示出了具有根据本发明的另一实施形式的直流电压截取装置、充电电路和储能器 装置的系统的示意图； 图7示出了具有根据本发明的另一实施形式的直流电压截取装置、充电电路和储能器 装置的系统的示意图； 图8示出了具有根据本发明的另一实施形式的直流电压截取装置、充电电路和储能器 装置的系统的示意图； 图9示出了具有根据本发明的另一实施形式的直流电压截取装置、充电电路和储能器 装置的系统的示意图； 图10示出了用于运行根据本发明的另一实施形式的储能器装置的方法的示意图；以 及 图11示出了用于操控根据本发明的另一实施形式的储能器装置的示例性向量图的示 意图。
【具体实施方式】