专利名称：驱动机械设备的电气装置和相关方法
技术领域：
本发明涉及用于驱动机械设备(例如机动车辆)的电气装置的领域，在机动车辆的情况下，使用电动马达并在某些情况下(例如在刹车期间)可以恢复由机械设备提供的部分能量，又被称为再生制动。
背景技术：
在现有技术中，电动马达是由可再充电的高压蓄电池1供电，蓄电池将直流电流传送到用于将直流电流转换为交流电流的逆变器3，使得可以向电动马达5供电，后者使机械设备产生运动，如图1所示。此外，通常是如图1所示的异步三相马达的电动马达5的运行也可利用不被机械设备所使用的机械能作为发电机来给蓄电池1再充电。然而，尤其在市区内行驶时，车辆进行短暂的和突然的刹车，从而在短时间内和在反复的时间过程内产生大量的能量。现有技术的蓄电池1不能接受产生的强电流，并且因此而产生的暂态情况可能导致这些蓄电池1 的过早损坏。为克服这个问题，现有技术的解决方案是使用超级电容器来存储刹车期间恢复的能量，就像在EPl 241 041专利中所描述的。图2至5示出了根据现有技术的结构的实例， 该结构中超级电容器应用于电动马达5的供电电路中。在图2中，超级电容器7与蓄电池1并联连接。这种结构的问题在于不能控制蓄电池和超级电容器间的能量管理。因此，超级电容器不能放电到0伏或者不能充电到比蓄电池电压高的电压，这限制了超级电容器的容量的使用，因此也限制了其优点。为克服这个问题，一个可行方法是引入直流到直流(DC-DC)变换器9，其允许对超级电容器进行独立管理，如图3所示。但是，由于直流到电流变换器9的成本使得该结构很
曰虫印贝。—些供电电路已经在逆变器3的上级有一个升压变换器11。由于逆变器3的供电可控，所以这种结构可使供电电路最优化。因此可以想到将超级电容器7放在升压变换器11的输出端，如图4所示。然而，这将在逆变器3的供电电压和超级电容器7的充电状态之间产生依赖性。因此，当逆变器3的供电电压变低时，也就是在例如低速的情况下，超级电容器7因此被强迫放电。此外，超级电容器7不能进行彻底放电。这些缺点可通过增加直流到直流(DC-DC)变换器9来克服，如图5所示，但这种情况下，与如图3所示的结构一样，变换器9的成本非常高。
发明内容
因此，有必要提出一种简单、低廉的实施例，使得能够克服之前所述现有技术的缺点，尤其能够使得用于电动马达5的能量恢复的超级电容器7的容量的利用达到最优。因此，本发明的示例性实施例提供了一种用于驱动机械设备的电子装置，其包括交流马达和逆变器，所述逆变器对于所述马达的每一相包含H电桥结构，该H电桥结构包含4个开关元件，所述开关元件分布在连接所述H电桥结构的两个端子的两个分支上，并用于给马达的所述至少一相的绕组供电，所述绕组是具有中点的绕组，以及所述电气装置还对于所述马达的每一相包括至少一个能量存储单元，具体地是超级电容器，该能量存储单元一方面连接到该马达的相关相的绕组的中点，另一方面，连接到向所述绕组供电的H电桥结构的端子。本发明另外一个示例性实施例提供了一种用于驱动机械设备的电气装置，其包括交流马达和逆变器，所述逆变器对于所述马达的每一相包括H电桥结构，所述H电桥结构包括四个开关元件，所述开关元件分布在连接所述H电桥结构的两个端子的两个分支上，用于给所述马达的至少所述一相的绕组供电，所述绕组是具有中点的绕组；该电气装置进一步包括至少一个能量存储单元，具体地是超级电容器，该能量存储单元一方面通过所述相的绕组的中点连接到马达的至少一相，另一方面，连接到向所述绕组供电的H电桥结构的端子。该装置可以包括单个能量存储单元，具体地是单个超级电容器，具体地一方面直接连接到马达的每一相的绕组的中点，另一方面连接到向所述绕组供电的H电桥结构的所述端子。作为一种变化，该装置可以包括用于每一相的能量存储单元，具体地是超级电容器，该能量存储单元一方面连接到马达的所述相的绕组的中点，另一方面连接到向所述绕组供电的H电桥结构的所述端子。能量存储单元连接到的H电桥结构的端子可以对应于连接到地电位的端子，该能量存储单元在这种情况下可以是超级电容器。超级电容器例如是具有介于1000到5000W/kg之间的功率密度和/或介于4到 6ffh/kg之间的能量密度的电容器。超级电容器可以是电化学双层超级电容器。根据本发明的第一个实施例，马达由燃料电池供电。燃料电池是电气装置的一部分。根据本发明的第一个实施例，在与切断马达的供电电源相对应的短暂状态期间， 由燃料电池提供的能量可以存储在存储单元中，具体地超级电容器中。根据本发明的第二个例子或实施例，电气装置还包含可以给马达供电的蓄电装置，和逆变器的控制装置，其被配置为一方面在车辆的刹车阶段期间允许向能量存储单元具体地是超级电容器充电，另一方面在加速阶段期间允许能量存储单元具体地是超级电容器向马达放电和/或向蓄电装置放电以便给蓄电装置充电。根据本发明的第二个实施例，蓄电装置包括蓄电池。开关元件，具体地每一个开关元件，可以包括并联连接的晶体管和二极管。该晶体管可以是绝缘栅双极型晶体管。交流马达可以是三相马达。马达的每一相的每个端子可以连接到H电桥的开关元件，该马达的每一相对应于 H电桥的负载。该装置的所有H电桥可以相同，也可以不同。本发明的另外一个示例性实施例提供了一种恢复由机动车辆的电动马达所产生的电能的方法，该电动马达的每一相包括具有中点的绕组，并且由H电桥结构供电，其中在所述车辆的刹车阶段期间，控制该H电桥结构的开关元件以使得恢复在至少一个能量存储单元，具体地超级电容器中产生的电能，能量存储单元连接在经由所述相的绕组的中点的电动机的至少一相，具体地一或三相，和与H电桥结构的分支的基点(base)对应的H电桥结构的端子之间。根据本发明的另一个示例性的实施例，当能量存储单元，具体地超级电容器被充电时，控制H结构的元件以使得将能量存储单元，具体地超级电容器的一部分能量放电到蓄电池中。另一个示例性的实施例提供了一种将存储在至少一个能量存储单元，具体地超级电容器中的电能恢复到机动车辆的电动马达中的方法，该电动马达的每一相包括具有中点的绕组并由H电桥结构供电，其中，在所述车辆的加速阶段期间，控制H电桥结构的开关元件以使得优先使用存储在能量存储单元，具体地超级电容器中的能量，能量存储单元连接在经由所述相的绕组的中点的马达的至少一相，具体地一相或三相，和与H电桥结构的分支的基点对应的H电桥结构的端子之间。一个或多个能量存储单元除了可以是超级电容器外，还可以是例如锂离子蓄电池。
本发明的其他特征和优点将在即将给出的参考附图的对本发明的描述中体现，附图以示意的但非限制的方式显示了其可能的实施例。在这些附图中-图1显示了根据现有技术的电气供电电路的电路图的示例性的实施例；-图2显示了根据现有技术的采用超级电容器的电气供电电路的电路图的第一示例性的实施例；-图3显示了根据现有技术的采用超级电容器的电气供电电路的电路图的第二示例性的实施例；-图4显示了根据现有技术的采用超级电容器的电气供电电路的电路图的第三示例性的实施例；-图5显示了根据现有技术的采用超级电容器的电气供电电路的电路图的第四示例性的实施例；-图6显示了H电桥结构；-图7显示了根据本发明的一个实施例的H电桥结构；-图8显示了根据本发明的第一个实施例；-图9显示了根据本发明的第二个实施例；-图10是根据本发明的一个实施例的H电桥的运行的说明图。
具体实施例方式在随后的说明中采用下面的一般名称-术语“绝缘栅双极型晶体管(IGBT)”对应于具有金属氧化物半导体场效应晶体
6管(MOSFET)输入和双极型晶体管输出的混合晶体管。-术语“H电桥结构”或“H电桥”对应于电气或电子电路，其包括通常以如图6所示的H形对称设置的四个开关元件13，H的两个垂直分支15中的每个包括设置在H的水平分支17的任一侧的两个开关元件13，水平分支17对应于电桥的负载19。在本发明的情况中，负载19相应于电动马达1的相的绕组。此外，两个垂直分支15的端部连接到电桥的两个端子21。开关元件通常表现为与二极管并联连接的晶体管，如图8和9所示，该晶体管通常是绝缘栅双极型晶体管。-术语“超级电容器”对应于通常采用双电化学层方法生产的高容量电容器，其中通常由活性碳制成并被注入电解液的两个多孔电极被绝缘且多孔(为了确保离子导电)的隔膜分隔开。这使得拥有蓄电池和普通电容器之间的中间能量和能量密度以及比蓄电池更快的能量恢复速度。本发明的实施例在于采用电动马达5和该电动马达的供电电路，电动马达5的至少一相的绕组23是具有中点的绕组，电动马达的供电电路的逆变器采用用于向该至少一相供电的至少一个H电桥，能量存储单元7连接在绕组的中点25和对应于地27的H电桥的端子21之间，如图7所示。在这种情况下，电动马达5的绕组23变成了 H电桥的负载19。在描述的实例中，一个或多个能量存储单元7是超级电容器，但是本发明并不限于这样的实例。本发明采用的马达5包括任意数目的相，尽管在后续的说明中，为了阐明本发明将描述三相马达，这些马达常用于具体的电动车辆的领域。图8示出了三相电动马达的供电电路的第一个实施例，在该供电电路中，蓄电池或燃料电池1通过步进电路1作为中介连接到逆变器3，该逆变器3包括三个向电动马达5 的三相供电的H电桥结构，该电动马达5的三相表示为它们的绕组23。对于三相中的每一相，超级电容器7连接在绕组23的中点和供电电路的地电位27之间。此外，开关四设置在绕组的中点25和超级电容器7之间，使得可以控制超级电容器7的连接。根据第二个实施例，三相的绕组23的中点连接到单个超级电容器7，如图9所示。因此，利用如图8和9所示的实施例，超级电容器7的充电电流或放电电流即使通过马达5的相，也不妨碍马达5的运行。事实上，如果流过相的一半绕组的电流是相等的， 那么它们产生了磁动势，这些磁动势彼此抵消，因此不会产生转矩。逆变器3的电流的控制装置因此应当管理超级电容器7的充电和放电电流的平衡因此，利用这些配置，不需要专用于超级电容器7的额外变换器9，这降低了设备的成本，并且超级电容器7可以放电到零电压，这使得使用最优化。为了更好地理解本发明的实施例，现在详细描述在由电动马达驱动的机械设备是机动车辆的情况下供电电路的运行；然而例如风力或水力类型的其它的机械设备也被本发
明覆盖。所述运行基本上在于通过逆变器3的控制装置作为中介控制H电桥的开关装置13 和开关四的断开和闭合，从而以最优的方式利用超级电容器7。根据本发明的一个方面，在静态情况(没有加速或制动)下，超级电容器7的端子处的电压被调节在O伏和由蓄电池1所提供的电源电压值E之间的一个中间值，例如E/2。
该中间值允许逆变器3的控制装置在车辆加速的情况下控制超级电容器7的放电 (可能降到0伏电压)，从而向电动马达5供电，这可以限制对蓄电池1的需求，而在制动的情况下，逆变器3的控制装置通过向超级电容器7再充电(可能升到电压E)来恢复马达 5(然后其作为发电机)提供的能量。当超级电容器7的电荷对应于高于中间值(在本实例中为E/2)的值时，控制装置通过将电荷放电到蓄电池1来使超级电容器7的端子处的电压返回到E/2(这在燃料电池中是不可能的，因为电化学反应是不可逆的。在这种情况下，从制动恢复的能量仅允许超级电容器的再充电)。此外，在燃料电池的情况下，电源供电的停止不是立刻发生的，因此当启动停止马达的电源供电的指令时(实际上，在机动车辆的情况下，这对应于释放加速器)，燃料电池继续提供能量(瞬变状态)。因此，超级电容器能够恢复此能量而不是让它以热的形式消耗掉。因此，在这些瞬变状态过程中存储的能量可以在后面的加速期间使用。在例如包括加速和制动交替的城市出行中，电动马达5的供电将基本上和优先由超级电容器7来执行。因此，在瞬变状态过程中仅非常部分地使用蓄电池1，这一方面能够降低总的电消耗，另一方面能降低蓄电池1的老化。此外，可以既控制超级电容器7的电流又控制对马达5有用的电流。“有用”的意思是产生磁动势的电流。实际上，通过控制马达5的一相的一半绕组的电流Il和12，如图 7所示，也可以控制有用的电流Iu和流入超级电容器7的电流Ic，下面的等式给出了这些电流之间的关系
权利要求
1.用于驱动机械设备的电气装置，其包括交流马达( 和逆变器(3)，所述逆变器(3) 对于所述马达(5)每一相包含H电桥结构，该H电桥结构包含4个开关元件(13)，所述开关元件(13)分布在连接所述H电桥结构的两个端子的两个分支(15)上，并被配置为向所述马达的所述至少一相的绕组供电，所述绕组是具有中点的绕组，所述电气装置还包括至少一个能量存储单元，具体地是超级电容器(7)，该能量存储单元一方面经由所述相的绕组的中点0 连接到马达(5)的至少一相，另一方面连接到向所述绕组03)供电的H电桥结构的端子。
2.根据权利要求1所述的电气装置，该能量存储单元(7)连接到的该H电桥结构的端子对应于连接到地电位、2Τ)的端子。
3.根据权利要求1所述的电气装置，该装置包括单个能量存储单元(7)，其一方面连接到该马达(5)的每一相的绕组03)的所述中点(25)，另一方面连接到向所述绕组03)供电的该H电桥结构的所述端子。
4.根据权利要求1所述的电气装置，该装置对于每一相包括能量存储单元(7)，其一方面连接到所述马达( 的所述相的绕组的所述中点(25)，另一方面连接到向所述绕组 (23)供电的所述H电桥结构的所述端子。
5.根据权利要求1所述的电气装置，所述能量存储单元(7)是电化学双层超级电容器。
6.根据权利要求1所述的电气装置，所述马达由燃料电池供电。
7.根据权利要求6所述的电气装置，在与所述马达的供电的停止对应的瞬变状态期间，由所述燃料电池提供的能量存储在所述能量存储单元中。
8.根据权利要求1所述的电气装置，还包括可向所述马达供电的蓄电装置和所述逆变器(3)的控制装置，该控制装置被配置为一方面允许在车辆的制动阶段期间向能量存储单元(7)充电，另一方面在加速阶段期间将所述能量存储单元(7)放电到所述马达(5)中或放电到所述蓄电装置中以便向所述蓄电装置充电。
9.根据权利要求8所述的电气装置，所述蓄电装置包括蓄电池(1)。
10.根据权利要求1所述的电气装置，所述开关元件(1 包括并联连接的晶体管和二极管。
11.根据权利要求10所述的电气装置，所述晶体管是绝缘栅双极型晶体管。
12.根据权利要求1所述的电气装置，所述交流马达( 是三相马达。
13.恢复由机动车辆的电动马达(5)产生的电能的方法，所述电动马达(5)的每一相包括具有中点的绕组(23)，并且由H电桥结构供电，其中在所述车辆的刹车阶段期间，控制 H电桥结构的开关元件(13)以便恢复在至少一个能量存储单元(7)具体地超级电容器(7) 中产生的电能，所述能量存储单元(7)连接在经由所述相的绕组的中点0 的马达的至少一相和与所述H电桥结构的地电位对应的H电桥结构的端子之间。
14.根据权利要求13所述的恢复方法，当向所述能量存储单元(7)充电时，控制所述 H电桥结构的元件以便将一个或多个能量存储单元(7)的能量的一部分放电到蓄电池(1) 中。
15.将存储在至少一个能量存储单元(7)具体地是超级电容器(7)中的电能恢复到机动车辆的电动马达(5)中的方法，该电动马达(5)的每一相包括具有中点的绕组并由H电桥结构供电，在该方法中在所述车辆的加速阶段期间，控制所述H电桥结构的开关元件(13)以便优先采用存储在所述能量存储单元(7)中的能量，所述能量存储单元(7)连接在经由所述相的绕组03)的中点05)的所述马达的至少一相和与所述H电桥结构的地电位对应的所述H电桥结构的端子之间。
全文摘要
本发明涉及一种驱动机械设备的电气装置，其包括交流马达和逆变器，所述逆变器对于所述马达每一相包含H电桥结构，该H电桥结构包含4个开关元件，所述开关元件分布在连接所述H电桥结构的两个端子的两个分支上，用于给所述马达的所述至少一相的绕组供电，所述绕组是具有中点的绕组并且所述电气装置的特征在于，它对于所述马达的每一相还包括能量存储单元，具体地是超级电容器，该能量存储单元一方面连接到马达的相关相的绕组的中点，另一方面连接到向所述绕组供电的H电桥结构的端子。
文档编号H02J15/00GK102299655SQ201110209508
公开日2011年12月28日 申请日期2011年6月27日 优先权日2010年6月25日
发明者B·鲍切兹, L·德索萨 申请人:法雷奥电机控制系统公司