储能装置的直流电压截取装置和由储能装置生成直流电压的方法与流程

本发明涉及用于储能装置的一种直流电压截取装置（Gleichspannungsabgriffsanordnung）以及由储能装置来生成直流电压的一种方法，尤其在具有电池直接逆变器的系统中，其用于同时给电机供电以及为直流电网生成另一电压电平。

背景技术：
可以看出：将来不仅在固定的应用中，比如风能设备或太阳能设备，还在汽车中，比如混合或电动汽车，更多的电子系统被采用，这些电子系统将新的储能技术与电驱动技术相结合。在电机中多相电流的供电通常通过以脉冲逆变器形式的一种逆变器来实现。为此可以把由直流电压中间回路所提供的直流电压逆变为一个多相交流电压，比如三相交流电压。该直流电压中间回路在此由串联电池模块的一个支路来供电。为了能够满足针对相应应用而给定的对功率和能量的要求，通常把多个电池模块串联为一个牵引用电池。多个电池模块的该串联电路所带来的问题是，如果一个唯一的电池模块失效，那么整个支路就失效。供电支路的这种失效可能导致整个系统的失效。另外单个电池模块暂时或永久出现的功率下降可能导致在整个供电支路中的功率下降。在文件US5,642,275A1中描述了具有集成逆变功能的一种电池系统。这种系统称为多级级联逆变器或电池直接逆变器（Batteriedirektumrichter,BDI）。这种系统包含有以多个储能模块支路形式的直流电源，其可以直接连接到一个电机或一个电网。在此可以生成单相或多相的供电电压。该储能模块支路在此具有多个串联的储能模块，其中每个储能模块都具有至少一个电池单元和一个所属的可控耦合单元，其允许根据控制信号来跨接相应所属的至少一个电池单元，或者把相应所属的至少一个电池单元连接到相应的储能模块支路中。在此该耦合单元可以如此来构造，使得其另外还允许把相应所属的至少一个电池单元还以反转的极性连接到相应的储能模块支路中，或者还断开相应的储能模块支路。通过合适地控制该耦合单元，比如借助脉宽调制，也可以提供合适的相位信号来控制相位输出电压，如此使得可以放弃分立的脉冲逆变器。用于控制相位输出电压所需的脉冲逆变器从而集成在所谓的BDI中。BDI相对于常规的系统而通常具有一个较高的效率、较高的故障安全性以及在其输出电压中明显更低的谐波含量。该故障安全性尤其通过如下来保证，即故障的、失效的或不完全有效的电池单元可以通过合适地控制其所属的耦合单元而在该供电支路中被跨接。一个储能模块支路的该相位输出电压可以通过相应地控制该耦合单元而变化，并尤其逐级地来调节。该输出电压的级在此由单个储能模块的电压构成，其中最大可能的相位输出电压由一个储能模块支路的所有储能模块之和来确定。该文件DE102010027857A1和DE102010027861A1比如公开具有多个电池模块支路的电池直接逆变器，其可以直接连接到一个电机上。在BDI的输出上不提供恒定的直流电压，因为该储能单元划分为不同的储能模块，并且必须控制其耦合装置以有针对性地生成一个电位。由于这种划分，DBI基本不作为直流电压源来提供，比如用于电动汽车车上电网的供电。从而需要用于一种储能装置的一种截取装置以及用于驱动该储能装置的一种方法，以能够在该储能装置的连续运行中截取或生成另一电位、尤其一个直流电位。

技术实现要素：
按照一个方面，本发明提供了用于一种储能装置的一种直流电压截取装置，其中该储能装置具有多个能量供给支路，该能量供给支路相应具有多个储能模块，以在该储能装置的多个输出端子上生成一个交流电压，该直流电压截取装置具有一个半桥电路，该半桥电路具有多个聚集端子（Sammelanschlüssen），该聚集端子分别与该储能装置的输出端子之一相耦合，该直流电压截取装置还具有一个参照端子，该参照端子与该储能装置的一个参照电位汇流排相耦合，并且该直流电压截取装置还具有一个升压转换器（Hochsetzsteller），该升压转换器被设计成根据在该半桥电路与该参照端子之间的电位而在该直流电压截取装置的截取端子上提供一个直流电压。根据另一方面，本发明还提供了一种电驱动系统，该系统具有一个储能装置，该储能具有多个能量供给支路，该能量供给支路分别具有多个储能模块，以在该储能装置的多个输出端子上生成一个交流电压，该系统还具有一个根据本发明的直流电压截取装置，该直流电压截取装置的聚集端子分别与该储能装置的参照端子之一相耦合，并且该直流电压截取装置的参照端子与该储能装置的一个参照电位汇流排相耦合。根据另一方面，本发明提供了用于由一个储能装置来生成一个直流电压的一种方法，其中该储能装置具有多个能量供给支路，该能量供给支路分别具有多个储能模块，以在该储能装置的多个输出端子上来生成一个交流电压，该方法具有在该储能装置的输出端子上截取一个相应瞬时按照数值最高的电位的步骤，具有在该储能装置的一个参照电位汇流排上截取一个参照电位的步骤，具有利用一个升压转换器对相应瞬时最高电位与该参照电位之间的电位差进行升压的步骤，以及具有提供与被升压的电位差有关的一个直流电压的步骤。本发明的想法是，把一个电路与一个储能装置、尤其一个电池直接逆变器的输出相耦合，利用该电路可以从该储能装置的输出上截取一个直流电压。为此而规定，把一个二极管半桥作为聚集装置而耦合到该储能装置的输出端子上，利用该二极管半桥能够相应截取在该储能的输出端子上瞬时最高的电位。该电位可以相对于该储能装置的参照电位借助一个升压转换器而用于生成一个直流电压。该直流电压那么比如就可以用于给车上电网的中间回路电容供电。该直流电压截取装置的一个显著优点是，该储能装置不用额外的更改就可以应用在一个电驱动系统中，也就是说，不必干预储能装置的运行。比如在把该储能装置用在电动汽车中时，可以同时生成用于电驱动的一个供电电压和用于电动汽车的车上电网的一个直流电压。有利地可以通过该直流电压截取装置的聚集装置而把元件数量保持为微小，因为在该直流电压截取装置中仅仅需要一个升压转换器来给车上电网的中间回路电容供电。由此一方面降低了元件需求并从而降低了元件空间需求和系统重量，尤其在电驱动系统中，另一方面还可以使开关损耗最小。该电路技术额外耗费有利地是微小的。此外还具有的优点是，在生成该直流电压时能够对所参与的储能单元模块进行平衡，也即能够根据充电状态和老化效应自动地随着在该储能装置的运行中所实施的平衡来对单个储能单元模块进行相同的加载，如此使得该储能模块被相同的加载，并由此提高了该储能装置的寿命和可用性。此外还存在一个显著的优点，即在该升压转换器中可以采用一个开关元件、比如一个半导体功率开关，该开关元件不必具有反向截止能力，因为该升压转换器的输入电压总是具有相同的极性。这所提供的优点是，能够把该升压转换器中的损耗功率最小化。根据本发明的直流电压截取装置的一个实施方案，该半桥电路可以具有多个二极管，该二极管分别耦合在该升压转换器与多个聚集端子之一之间。在一个有利的实施方案中，该半桥可以具有多个换向电感线圈，该电感线圈分别耦合在多个二极管与该升压转换器之间。由此能够补偿或缓冲在输出端子上电位的波动，尤其在控制该储能装置的特定时间点时的高频波动。根据本发明的直流电压截取装置的另一实施方案，该升压转换器可以具有一个变换器电感线圈、一个输出二极管、和一个调节器开关元件。在一个有利的实施方案中，该调节器开关元件可以具有一个功率半导体开关，比如一个MOSFET开关或IGBT开关。这所具有的优点是，可以采用不必具有明确反向截止能力的开关元件。根据另一实施方案，本发明的直流电压截取装置可以包含有一个中间回路电容，该电容耦合在该直流电压截取装置的截取端子之间，并且该电容被设计成提供由该升压转换器所生成的输出电流脉冲，并用于将其以平滑的直流电压传输到该升压转换器的输出上。根据本发明方法的一个实施方案，该方法另外还包含有给中间回路电容供给所提供直流电压的步骤。根据本发明方法的一个实施方案，该方法可以用于利用本发明的电驱动系统为电动汽车的车上电网提供直流电压。在一个有利的实施方案中，在本发明的方法中，如果在该电机上要调节的定子电压低于一个预定的阈值，那么该n相电机的中性点电位可以通过在该储能装置的输出端子上相同地提高输出电压而被提高。否则如果比如在低转速范围内的电机上的定子电压太小，那么这是尤其有利的，以给该升压转换器提供足够高的输入电压。通过提高中性点电位，n相电机的运行不受影响，而该升压转换器的输入电压可以被增大而超过一个最小值。本发明实施方案的其他特征和优点参见结合附图的下文说明。附图说明其中：图1示出了具有储能装置的一个系统的示意图；图2示出了储能装置的一个储能模块的示意图；图3示出了储能装置的一个储能模块的示意图；图4示出了根据本发明一个实施方案的具有一个储能装置和一个直流电压截取装置的一种系统的示意图；图5示出了根据本发明另一实施方案的具有一个储能装置和一个直流电压截取装置的一种系统的示意图；以及图6示出了根据本发明另一实施方案的用于由储能装置来生成直流电压的一种方法的示意图。附图说明图1示出了具有储能装置1的一种系统100的示意图，以把在该储能模块3中所提供的直流电压来电压变化为n相交流电压。该储能装置1包含有多个能量供给支路Z，其中在图1中示例地示出了三个，其适于比如为三相交流电机2来生成三相交流电压。但显然其他每种数量的能量供给支路Z同样也是可以的。该能量供给支路Z可以具有多个储能模块3，其在该能量供给支路Z中相串联。比如在图1中每个能量供给支路Z示出了各三个储能模块3，但其中其他每种数量的储能模块3同样也是可以的。该储能装置1在每个能量供给支路Z上都具有一个输出端子1a、1b和1c，该输出端子分别连接到相线2a、2b以及2c上。该系统100另外还可以包含有一个控制装置6，该控制装置与该储能装置1相连接，并借助该控制装置可以控制该储能装置1，以在相应的输出端子1a、1b和1c提供所期望的输出电压。该储能模块3分别具有两个输出端子3a和3b，通过该端子可以提供该储能模块3的一个输出电压。因为该储能模块3首先串联，所以该储能模块3的输出电压相加成为一个总输出电压，该总输出电压可以在该储能装置1的相应输出端子1a、1b和1c来提供。在图2和3中更详细地示出了该储能模块3的示例构造形式。该储能模块3在此包含有相应一个耦合装置7，该耦合装置具有多个耦合单元7a、7c以及必要时的7b和7d。该储能模块3另外还包含有相应一个储能单元模块5，其具有一个或多个相串联的储能单元5a至5k。该储能单元模块5在此比如可以具有串联的电池5a至5k，比如锂离子电池。在此在图2和3所示的储能模块3中该储能单元5a至5k的数量比如为二，但其中其他每种数量的储能单元5a至5k同样也是可以的。该储能单元模块5通过连接线与所属耦合装置7的输入端子相连接。该耦合装置7在图2中比如作为各具有两个耦合单元7a、7c和两个耦合单元7b、7d的全桥电路来构造。该耦合单元7a、7b、7c、7d在此可以分别具有诸如半导体开关的一个有源开关元件以及与之并联的一个续流二极管。在此可以规定，该耦合单元7a、7b、7c、7d作为已具有内部二极管的MOSFET开关或IGBT开关来构造。或者也可以分别仅构造两个耦合单元7a、7c，如在图3中示例所示，如此使得实现了一个半桥电路。在此该输出端子3a和3b的连接可以如在图3中所示来选择。或者该输出端子3a也可以连接到该耦合单元7a和7c之间的中间抽头上，并且该输出端子3b可以连接到该储能模块5的负极上。在这两种情况下该输出端子3a和3b此外也可以互换。该耦合单元7a、7b、7c、7d可以如此被控制，比如借助在图1中所示的控制装置6，使得相应的储能单元模块5可以选择性地连接到该输出端子3a和3b之间，或者该储能单元模块5被跨接。参照图2，该储能单元模块5比如可以正向连接在该输出端子3a和3b之间，其方式是，该耦合单元7d的有源开关元件和该耦合单元7a的有源开关元件被设置为闭合状态，而该耦合单元7b和7c的其他两个有源开关元件被设置为断开状态。跨接状态比如可以如此来调节，即该耦合单元7a和7b的两个有源开关元件被设置为闭合状态，而该耦合单元7c和7d两个有源开关元件被设置为断开状态。一个第二跨接状态可以如此来调节，即该耦合单元7a和7b的两个有源开关元件被保持为断开状态，而该耦合单元7c和7d的两个有源开关元件被设置为闭合状态。最后该储能单元模块5比如可以反向连接在该输出端子3a和3b之间，其方式是，该耦合单元7b的有源开关元件以及该耦合单元7c的有源开关元件被设置为闭合状态，而该耦合单元7a和7d的另外两个有源开关元件被设置为断开状态。类似的考虑也可以相应针对图3中的半桥电路来实施。通过合适地控制该耦合装置7，从而该储能模块3的几个储能单元模块5可以有针对性地并以任意的极性集成在一个能量供给支路的串联电路中。比如在图1中的该系统100用于给一个三相电机2供电，比如在电动汽车的电驱动系统中。但也可以规定采用该储能装置1来为供电电网2生成电流。该能量供给支路Z可以在其连接到中性点的一端与一个参照电位4（参照电位汇流排）相连接。该参照电位4比如可以是一个地电位。不用另外与该能量供给装置1外部的参照电位相连接，该能量供给支路Z的连接到中性点一端的电位按照定义可以被确定为参照电位。为了在一侧该输出端子1a、1b和1c与另一侧参照电位汇流排4之间生成一个相电压，通常仅需要该储能模块3的储能单元模块5的一部分。其耦合装置7可以如此来控制使得：一个能量供给支路Z的总输出电压能够一方面在单个储能单元模块5的乘以储能模块3数量的负电压与单个储能单元模块5的乘以储能模块3数量的正电压之间以及另一方面在单个储能模块3的负额定电流与正额定电流之间逐级地在矩形电压/电流调节范围内被调节。如图1所示，这种储能装置1在该输出端子1a、1b、1c上在不同的运行时间点具有不同的电位，并从而不能简单地被用作直流电压源。尤其在电动汽车的电驱动系统中，通常希望由该储能装置1来给汽车的车上电网供电，比如高伏特车上电网或低伏特车上电网。从而提供了一种直流电压截取装置，该直流电压截取装置被设计成连接到一个储能装置1上，并由其供电来提供一个直流电压，比如用于电动汽车的车上电网。图4示出了一种系统200的示意图，其具有一个储能装置1和这样一种直流电压截取装置8。该直流电压截取装置8一方面通过端子8a、8b和8c与该储能装置1相连接，并另一方面通过一个参照端子8d与之相耦合。可以在该截取端子8e和8f上截取该直流电压截取装置8的一个直流电压UZK。在该截取端子8e和8f上比如可以连接一个（未示出的）直流电压变换器，以用于电动汽车的车上电网，或者在合适地平衡该截取端子8e和8f之间的电压UZK与该车上电网电压的情况下，也可以与该车上电网直接相连。该直流电压截取装置8具有一个半桥电路9，其通过聚集端子8a、8b、8c分别与该储能装置1的输出端子1a、1b、1c相耦合。该聚集端子8a、8b、8c在此比如可以耦合到该系统200的相线2a、2b及2c上。该半桥电路9可以具有多个二极管9a，该二极管分别耦合到聚集端子8a、8b、8c之一上，如此使得二极管9a的相应阳极与该相线2a、2b或2c相耦合。该二极管9a的阴极可以一起连接到该半桥电路9的公共聚集点上。由此在该半桥电路9的聚集点上分别存在有该相线2a、2b或2c的瞬时最高电位。另外或者可以设置多个换向电感线圈9b，其分别耦合在该二极管9a与该聚集点之间。该换向电感线圈9b在此可以缓冲电位波动，其中该电位波动可能由于控制所决定的逐级电位变换而在相应相线2a、2b或2c中有时出现，如此使得该二极管9a更低地由于经常的换向过程而被加载。该直流电压截取装置8另外还具有一个参照端子8d，该参照端子与该储能装置1的一个参照电位汇流排4相耦合。在该半桥电路9的聚集点与该参照端子8d之间从而存在一个电位差，该电位差可以通过一个升压转换器14而被升压，该升压转换器耦合在该半桥电路9与该参照端子8d之间。该升压转换器14在此被设计成根据在该半桥电路9与该参照端子8d之间的电位而在该直流电压截取装置8的截取端子8e、8f上提供一个直流电压UZK。该升压转换器14比如可以具有串联的一个变换器电感线圈10和一个输出二极管11，其中一个调节器开关元件12把其中点抽头与该参照端子8d相耦合。或者该变换器电感线圈10也可以设置在该参照端子8d与该调节器开关元件12之间，或者可以在该升压转换器14的两个输入端子上设置两个变换器电感线圈10。同样这也适用于该输出二极管11，该输出二极管或者也可以设置在该输出抽头8f与该调节器开关元件12之间。该调节器开关元件12比如可以具有一个功率半导体开关，比如MOSFET开关或IGBT开关。比如可以为该调节器开关元件12而采用一个n沟道IGBT，其在正常状态下是截止的。但在此应该明确的是，同样可以为该调节器开关元件12而采用其他每种功率半导体开关。可以放弃该调节器开关元件12，或者把该调节器开关元件12保持在长久截止的状态，如果在该半桥电路9的聚集端子与该参照端子8d之间的电位差总是位于由连接在该截取端子8e、8f上的其他元件所给定的输入电压范围之内，那么就尤其这样。在这种情况下，在一些实施方案中也可以放弃该输出二极管11。该直流电压截取装置8另外还可以具有一个中间回路电容13，该中间回路电容连接在该直流电压截取装置8的截取端子8e、8f之间，并且该中间回路电容被设计成对由该升压转换器14所输出的电流脉冲进行缓冲，并从而在该升压转换器14的输出上生成一个平滑的直流电压UZK。通过该中间回路电容13，那么就比如可以给电动汽车的车上电网的直流电压变换器供电，或者在特定情况下也可以把该车上电网直接连接到该中间回路电容13。在该半桥电路9中二极管9a的数量在图4中比如为三个，并且与该储能装置1的输出端子1a、1b、1c的数量相匹配。在此应该明确的是，按照该储能装置1生成哪种相位电压，在该半桥电路9中二极管的其他每种数量都同样是可以的。图5示出了具有一个储能装置1和一个直流电压截取装置8的一种系统300的示意图。该系统300与图4中所示的系统200不同之处主要在于，该二极管9a将其阴极连接到该储能装置1的相线2a、2b、2c上。在图5的直流电压截取装置8中从而在该半桥电路9的聚集点上总是存在该相线2a、2b、2c的相应瞬时最低电位。在图5的直流电压截取装置8中在该半桥电路9的聚集点与该参照端子8d之间也存在一个电位差，该电位差可以通过该升压转换器14而升压为直流电压UZK。图6示出了一种方法20的示意图，该方法用于由一个储能装置、尤其储能装置1来生成一个直流电压UZK，如结合图1至5所示。该方法比如可以用于利用图4或5的电驱动系统200或300来为电动汽车的车上电网提供直流电压UZK。在一个第一步骤S1中，可以在该储能装置1的多个输出端子1a、1b、1c上来截取一个相应瞬时按照数值而最高的电位。在一个第二步骤S2中可以在该储能装置的参照母线上截取一个参照电位。然后在一个步骤S3中可以把在相应瞬时最高的电位与该参照电位之间的电位差利用一个升压转换器来升压。在步骤S4中被升压的电位差可以作为直流电压UZK而被提供。在一个步骤S5中可选地利用所提供的直流电压UZK来给一个中间回路电容13供电。如果用于驱动直流电压截取装置8的该方法20在比如按照图4的一个实施方案中被用在一个电驱动系统200或300中，如果在控制该电机2所需的在相应瞬时最高的电位与该参照电位之间的电位差低于一个预定的阈值，那么该n相电机2的中性点可以通过相同地提高在该储能装置1的多个输出端子1a、1b、1c上的输出电压而被提高。如果该直流电压截取装置8存在于比如按照图5的一个实施方案中，如果在控制该电机2所需的在该参照电位与相应瞬时最低的电位之间的电位差低于一个预定的阈值，那么就可以以相应的方式通过相同地降低该输出电压在该储能装置1的多个输出端子1a、1b、1c上的输出电压来降低该n相电机2的中性点电位。也即，所有能量供给支路Z的输出电位被提高或降低一个单位值，并从而该升压转换器14的输入电压被提高超过控制该电机2所给定的值，而不影响该电机2的定子电压和/或定子电流。