专利名称：对储能器充电的装置和方法
对储能器充电的装置和方法
技术领域：
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)的锗能器充电，如在机动 车车栽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
提供车栽网络(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 Al),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 则是特別困难的.
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车栽网络.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栽网络的 电压之下为前提.但是如果双层电容器完全放电，则可能需要小的笫二降压转换器，其中经由该小的第二降压转换器可以将双层电容器充 电至车栽网络的电压为止.
在根据WO 2006/000471 Al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，則每单元得出0.167A的充电电 流，在14V的车栽网络电压时，每单元需要0.625V单元电压.因此得 出充电时间为
t = U * C /1 = 0.625 * 1800F / 0.167A = 6750 s,
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
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 仅仅经由笫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),
通过总线系统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，并此后经由笫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.
具有笫一和笫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l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困，通过第一转换器1生成直流电压，该直 流电压经由笫二转换器2以例如50 kHz的脉冲频率被逆变.以该交流 电压施加給交流电压总线(AC总线)4.这里将导线、尤其是电缆或 铜母线的系统称为总线.双层电容器DLC的串联的单元Zt至Zn经由 耦合电容器Ck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Ck和整流器3的笫 一充电路径可以使双层电容器DLC的电荷充电.在文献WO 2006/000471 Al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 Al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.该充电路径具有将笫一转换器l的输出端与双层电容器DLC的端子6相连接的二极管DL.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Dt从笫一转换器1朝向双层电容器DLC在流 动方向上极化.
经由笫二充电路径，第一转换器1的最大可调节的电流经由唯一 的二极管DL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St"
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st!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
Zi至Zn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DL的第二充电路 径.
用于储能器、尤其是双层电容器DLC的单元&至Zn的电荷均衡 的本发明电路装置的在困2中所示出的第一实施例，具有各个单元Zt
至Zn的串联电路.经由第一开关Sl将经由单元Z,至Zn的串联电路下
降的电压Umx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重源(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Cz和两个连接成半桥的晶体管Tl和T2，中间回路电容器Cz 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Z,至Zn用的耦合电容器CK1至Ck .
在每一个辆合电容器CKx(w...n)和给其所分配的单元Zx之间布置
这里分别具有两个二极管Dxa、 D"的整流器3. 二极管D狄分别将耦合 电容器Ck,的背离交流电压总线4的端子与所分配的单元Z,的具有较 高电势的端子(正极端子)相连接，二极管Dxb将耦合电容器Ckx的该 端子与所分配的单元Z,的具有较低电势的端子(负极端子)相连接.
在此，将二极管D,a从辆合电容器C&朝向单元Zx的正极端子在 流动方向上极化，而将二极管Dxb从单元Zx的负极端子朝向耦合电容
器CKx在流动方向上极化.
在该第一实施例中包含半桥Tl、 T2的交流电压转换器2向在位于 两个晶体管Tl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CK1至CKn被传输至各个单元至Zn.
不同的电容器类型可被用于耦合电容器CK,不过必须互相协调电
容器的电容、频率和内部损耗电阻.错误协调会导致辆合电容器的过 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 (Trennseharfe)
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Zx.
为了能够实现在储能器的串联的单元至Zn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Zx，使得对具有最低电压的单元Zx充电.示范性 地对于在该实施例中具有最低单元电压U&的单元Zx解释经由笫一充 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Dxb将辆合电容器C^充电到单元 Z,的(在负极端子处的)下方的电势(扣除二极管Dxb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Cz经由晶体管Tl、交流电压总线4、耦合电 容器Ckx和二板管D ，流过单元Z,和其正极端子与要充电的单元Zx 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Zx+1至Zn，并且从那里返回流向中间回路电容器Cz.
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
8在相反的方向上流过其正极端子与要充电的单元Zx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Zn至Zx+1，并且现在 流过二极管D,b和耦合电容器CKx.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,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Zx+,至Zn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Uzx的单元Zx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,已达到其余单 元的次高的(nachst-h(iher)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Zx充电的能量来自中间回路电容器Cz, 该中间回路电容器Cz—方面通过这种负栽、和另一方面通过恒定的再 充电独立地调整到适当的电压Ucz.在此也自动得出，剩留最低电压的 单元Zx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 Ck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Dt的第二充电路径得到采用.二极管Dt—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Dl与儲能器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&至Zn 充电，在此，将二极管dl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Tl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Dl例如用4 A 电流将(例如具有24个单个单元的)单元堆叠充电到13 V电压，则这 意味着充电时间t=13V : 24xl800F : 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，经由笫一充电路径需要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.
经由笫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(经由笫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Tl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DL显著加速储能器DLC的充电.
图3展示了本发明电路装置的笫二实施例，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Zx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困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),该笫一充电 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，这些优点超过了額外耗费，
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 桥具有笫一和笫二晶体管Tl、 T2，第二半桥具有笫三和第四晶体管 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经由相应的辆合电容器Tku至Cxna和由分别两个二 极管Dia、 D化至Dna、 Dnb组成的整流器电路与串联的单元&至Zn相
连接.同样，总线线路4.2经由相应的耦合电容器Cia至CKn和由分別 两个二极管Dlc、 Dw至Dnc、 Dnd组成的整流器电路与串联的单元Zi
至Zn相连接.
重新以单元Z,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CKxa—方面经由向单元导电的二极管Dxa 与羊元Zx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Dxb与单元Zx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CKxb一方面经由向单元导电的二极
管Dxc与单元Zx的正极端子相连接，和另一方面经由向耦合电容器CKxb
导电的二极管Drt与单元Z,的负极端子相连接，
两个整流器D^、 D,b和D,c、 D,d因此并行于单元Zx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Zx相比具有对参考电势GND较小的电势、但是较高的单 元电压Uz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Tl和 T4在笫一相位中导电，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DL的第二充电路径，该二 极管DL—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DL (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Dt的尺寸确定重要的仅仅是，二极管DL必须能够截 止储能器的电压UDLC和必须能够承栽充电电流.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l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側和输出側都分別具有绕组.在此，蓄电 池B与初级绕组Ll和晶体管Tu的串联电路相连接.在输出側布置次 级绕组L2，该次级绕组L2按照困2和3与交流电压转换器2电连接， 晶体管Tu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Tn时，在初级绕組Li上的电压等于输入电压llB, 并且电流Iu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Ds2截止，如果现在截止
ii晶体管T ，则中断通过初级绕组Lt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Ds2现在变成导通的，并且次级绕组 L2经由次级側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 储器变压器在次级側具有两个次级绕组Lu和L22.笫一次级绕组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(Tastverhaitnis )，所述常规的降压转换器从储能器 的例如60 V的总电压UDLC中必须提供例如2.5 V的单元电压UZx。
权利要求
1. 用于对储能器(DLC)的串联布置的各个单元(Z1至Zn)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)能与储能器(DLC，B)相连接，其中，设置连接在DC/DC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(CZ)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Zn)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(CK1至CKn，CK1a和CK1b至CKna和CKnb)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(CK1至CKn，CK1a和CK1b至CKna和CKnb)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，可将直流电压转换器(1)的朝向交流电压转换器(2)的端子与至少两个单元(Z1至Zn)的串联电路相连接。
2. 按照权利要求1的装置，其特征在于，所述笫二充电路径具有二 极管(DL)，所述二极管(DL)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(Ck).
4. 按照以上权利要求之一的装置，其特征在于，所述装置具有控制 电路(S)，经由所述控制电路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(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.
7. 按照以上权利要求之一的装置，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(Z,至Zn)充电 的方法，其特征在于，-根据参数经由第一或笫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^至CKn, Ciaa和C!ab至 CKna和CKnb)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(UZx)的单元 (Zx),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、尤其是所有的单元(&至Zn)的串联电路的充电，和将直流电流输送给串联的单元(Z,至Zn).
9. 按照权利要求8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.
全文摘要
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<sub>K</sub>)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<sub>ZX</sub>)的单元(Z<sub>X</sub>)。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<sub>L</sub>)，该第二充电路径(D<sub>L</sub>)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。
文档编号H02J7/00GK101473508SQ200780023005
公开日2009年7月1日 申请日期2007年4月20日 优先权日2006年6月21日
发明者A·赖克, M·戈特詹伯格 申请人:欧陆汽车有限责任公司