用于儲能裝置的充電電路和用于對儲能裝置充電的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于儲能裝置的充電電路和對儲能裝置充電的方法，該充電電路帶有：感應(yīng)式傳輸元件，與感應(yīng)式傳輸元件耦合的整流器，以及儲能裝置。儲能裝置具有至少一個耦合在儲能裝置的兩個輸出端子之間的能量供給支路。能量供給支路具有一個或多個在能量供給支路中串聯(lián)連接的儲能模塊。儲能模塊分別具有帶有至少一個儲能單元的儲能單元模塊以及帶有多個耦合元件的耦合裝置，耦合裝置被設(shè)計為選擇性地將儲能單元模塊連接到各自的能量供給支路中或者在各自的能量供給支路中繞開儲能單元模塊。整流器直接與儲能裝置的輸出端子耦合，并且儲能裝置具有在儲能裝置的充電運行中通過整流器根據(jù)所屬儲能單元的充電狀態(tài)來操控儲能模塊的耦合裝置的控制裝置。
【專利說明】用于儲能裝置的充電電路和用于對儲能裝置充電的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于儲能裝置的充電電路和用于對儲能裝置充電的方法，尤其是用于對電池直接逆變器電路和電池轉(zhuǎn)換器電路充電的方法，其中所述電池直接逆變器電路和電池轉(zhuǎn)換器電路例如被使用在電力運行交通工具的電驅(qū)動系統(tǒng)中。
【背景技術(shù)】
[0002]看起來在未來無論在例如風力發(fā)電設(shè)備或者太陽能設(shè)備的靜止應(yīng)用中、還是在如混合動力或電動交通工具的交通工具中都越來越多地使用將新的儲能技術(shù)與電驅(qū)動技術(shù)組合的電子系統(tǒng)。
[0003]為了將交流電饋送到電機中，通常通過脈沖逆變器形式的逆變器將由直流電壓中間回路提供的直流電壓轉(zhuǎn)換成三相交變電壓。直流電壓中間回路被由串聯(lián)連接的電池模塊構(gòu)成的支路供電。為了能夠滿足針對各自的應(yīng)用所提出的對功率和能量的要求，經(jīng)常將多個電池模塊串聯(lián)連接成牽引電池。這種儲能系統(tǒng)例如經(jīng)常被應(yīng)用在電力運行的交通工具中。
[0004]為了對電力運行的交通工具的這種電池模塊進行充電，經(jīng)常使用感應(yīng)式充電系統(tǒng)。為了能夠高效率地運行感應(yīng)式充電系統(tǒng)，有利的是，運行作為諧振系統(tǒng)的感應(yīng)式傳輸段。諧振的感應(yīng)式傳輸段在其輸出功率方面只能以有限的規(guī)模被改變。尤其是，輸出電壓在窄的界限內(nèi)與傳輸?shù)某潆姽β食杀壤?br> [0005]電池模塊正好在高的充電結(jié)束電壓的范圍中、也即在快要達到滿充電狀態(tài)之前僅僅還能處理減小的功率饋送而不會遭受損壞。諧振的感應(yīng)式傳輸段的可能的調(diào)節(jié)范圍在此可能是不夠的。
[0006]一種補償可能性在于可以插入到諧振的感應(yīng)式傳輸段中的附加直流斬波器，以便將傳輸段的輸出電壓在功率饋送減小的情況下上升到所希望的充電電壓。但是這與提高的成本、結(jié)構(gòu)空間和材料使用相關(guān)聯(lián)。
[0007]文獻US 8 054 039 B2公開了用于對電動汽車的電池充電的方法，其中充電功率可以根據(jù)所測量的電池運行參數(shù)來加以調(diào)整。
[0008]在文獻US 5 642 275 Al中描述了 一種帶有集成的逆變器功能的電池系統(tǒng)。這種類型的系統(tǒng)作為名稱“多級級聯(lián)逆變器”也或者“電池直接逆變器(Batteriedirektumrichter, BDI)”而被已知。這種系統(tǒng)包括在多個儲能模塊支路中的直流源，這些直流源可以直接被連接到電機上或電網(wǎng)上。在此，可以產(chǎn)生單相或多相供給電壓。儲能模塊支路在此具有多個串聯(lián)連接的儲能模塊，其中每個儲能模塊具有至少一個電池單元和一個相關(guān)聯(lián)的可控的耦合單元，該耦合單元允許根據(jù)控制信號來中斷各自的儲能模塊支路或者分別橋接關(guān)聯(lián)的至少一個電池單元或者分別將關(guān)聯(lián)的至少一個電池單元連接到各自的儲能模塊支路中。
[0009]作為代替方案，文獻DElO 2010 027 857 Al 和 DE 10 2010 027 861 Al 公開了在
儲能裝置中的模塊化連接的電池單元，它們通過對耦合單元的合適操控可以被選擇性地耦合到由串聯(lián)連接的電池單元構(gòu)成的支路中或者從該支路中去耦。這種類型的系統(tǒng)作為名稱“電池直接變換器”(Batteriedirektwandler, BDC)”而被已知。這種系統(tǒng)包括在儲能模塊支路中的直流源，它們可以被連接到直流電壓中間回路上用于經(jīng)由脈沖逆變器對電機或電網(wǎng)供給電能。
[0010]BDC和BDI通常具有相對于傳統(tǒng)系統(tǒng)更高的效率和更高的故障安全性。故障安全性尤其是可以通過如下方式來保證，即有缺陷的、故障的或者不完全功能正常的電池單元通過對耦合單元的合適的橋接操控可以從能量供給支路中脫離連接。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]按照一種實施方式，本發(fā)明實現(xiàn)了用于儲能裝置的充電電路，帶有:感應(yīng)式傳輸元件，所述感應(yīng)式傳輸元件被設(shè)計用于感應(yīng)式地接收充電交變電壓；整流器，所述整流器與感應(yīng)式傳輸元件耦合并且被設(shè)計用于將接收的充電交變電壓轉(zhuǎn)換成充電直流電壓；以及儲能裝置。儲能裝置具有至少一個耦合在儲能裝置的兩個輸出端子之間的能量供給支路。能量供給支路具有一個或多個在該能量供給支路中串聯(lián)連接的儲能模塊。儲能模塊分別具有帶有至少一個儲能單元的儲能單元模塊，以及帶有多個耦合元件的耦合裝置，該耦合裝置被設(shè)計為選擇性地將儲能單元模塊連接到各自的能量供給支路中或者在各自的能量供給支路中繞開儲能單元模塊。在此，整流器直接與儲能裝置的輸出端子耦合，并且儲能裝置具有控制裝置，該控制裝置被設(shè)計為在儲能裝置的充電運行中通過整流器根據(jù)所屬儲能單元的充電狀態(tài)來操控儲能模塊的耦合裝置。
[0012]按照另一實施方式，本發(fā)明實現(xiàn)了用于對儲能裝置充電的方法，具有步驟:利用感應(yīng)式傳輸元件感應(yīng)式地接收充電交變電壓；利用整流器將接收的充電交變電壓轉(zhuǎn)換成充電直流電壓；確定帶有至少一個能量供給支路的儲能裝置的儲能單元的充電狀態(tài)，所述能量供給支路耦合在儲能裝置的兩個輸出端子之間；并且通過根據(jù)所確定的儲能單元的充電狀態(tài)對儲能模塊的耦合裝置的操控來調(diào)整能量供給支路的輸出電壓。能量供給支路在此具有一個或多個在該能量供給支路中串聯(lián)連接的儲能模塊，這些儲能模塊分別包括帶有至少一個儲能單元的儲能單元模塊以及帶有多個耦合元件的耦合裝置，該耦合裝置被設(shè)計為選擇性地將儲能單元模塊連接到各自的能量供給支路中或者在各自的能量供給支路中繞開儲能單元模塊。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)點
本發(fā)明的構(gòu)思是，使用具有由儲能模塊的串聯(lián)電路構(gòu)成的、模塊化構(gòu)建的能量供給支路的儲能裝置來對電驅(qū)動系統(tǒng)進行供給，其中儲能模塊分別具有可接通到能量供給支路中或可關(guān)斷的儲能單元。由此儲能裝置的輸出電壓可以適配于整流器的充電功率。
[0014]特別有利的是，儲能單元應(yīng)當在其最終充電狀態(tài)附近被充電:在該范圍中分別同時待充電的儲能單元的數(shù)量可以連續(xù)減少，以便不離開進行供給的整流器的最優(yōu)調(diào)節(jié)范圍。
[0015]利用這種調(diào)節(jié)策略可以放棄在感應(yīng)式功率傳輸路徑中的附加的直流斬波器，這減少了結(jié)構(gòu)空間、制造成本和在運行中的功率損耗。此外，功率電子裝置所需的冷卻功率較少。由此尤其是也可以在可能的設(shè)計變型方案中減少變化范圍，由此簡化了系統(tǒng)拓撲。例如在混合動力交通工具中典型地需要在150V和300V之間的范圍中的電壓充電，而電動交通工具以在250V和450V之間的范圍內(nèi)的更高的電壓位置運行。通過儲能裝置中的輸出電壓的匹配，相同的充電電路既可以使用在混合動力交通工具中也可以使用在純電動交通工具中，而在此原則上無需進行充電電路的感應(yīng)式傳輸段的設(shè)計方面的改動。
[0016]按照本發(fā)明充電電路的一種實施方式，耦合裝置可以分別具有多個構(gòu)成全橋電路的耦合元件。代替地，耦合裝置可以分別具有多個構(gòu)成半橋電路的耦合元件。
[0017]按照本發(fā)明充電電路的另一實施方式，所述至少一個儲能單元具有鋰離子蓄電池。
[0018]按照本發(fā)明充電電路的另一實施方式，所述充電電路可以具有直流電壓中間回路，該直流電壓中間回路耦合在儲能裝置的輸出端子之間。這能夠以有利的方式實現(xiàn)在充電運行中在儲能裝置的輸出電壓或輸入電流中的電壓或電流波動的減少，尤其是在脈寬調(diào)制地操控儲能模塊中的一個或多個時。
[0019]按照本發(fā)明方法的一種實施方式，對儲能模塊的耦合裝置的操控可以包括選擇性地將儲能單元模塊接通到各自的能量供給支路中或關(guān)斷。此外，該方法還可以包括周期地交換接通到各自的能量供給支路中的儲能單元模塊的步驟。由此，可以有利地保證，儲能單元在時間上平均地被施加相同的充電功率。
[0020]在此，在本發(fā)明方法的另一實施方式中，根據(jù)所確定的儲能單元的充電狀態(tài)來確定接通到各自的能量供給支路中的儲能單元模塊的數(shù)量。由此可以保證，如果各個儲能單元的充電狀態(tài)在充電過程的進行中上升則能量供給支路的最大輸出電壓不被超過。這能夠?qū)崿F(xiàn)針對整流器的最優(yōu)的調(diào)節(jié)范圍，而針對儲能裝置或儲能單元的充電功率不會過高。
[0021]本發(fā)明實施方式的另外的特征和優(yōu)點參照附圖從后面的描述中得到。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1示出了按照本發(fā)明實施方式的儲能裝置的示意圖；
圖2示出了按照本發(fā)明另一實施方式的儲能裝置的儲能模塊的實施例的示意圖；
圖3示出了按照本發(fā)明另一實施方式的儲能裝置的儲能模塊的另一實施例的示意圖； 圖4示出了按照本發(fā)明的另一實施方式的另一儲能裝置的示意圖；
圖5示出了按照本發(fā)明的另一實施方式的用于對儲能裝置充電的方法的示意圖；
圖6示出了按照本發(fā)明另一實施方式的儲能裝置的充電電路的示意圖；以及 圖7示出了按照本發(fā)明另一實施方式的儲能裝置的另一充電電路的示意圖。
【具體實施方式】
[0023]圖1示出了儲能裝置10，帶有電池模塊1，用于通過在儲能裝置10的兩個輸出端子4a和4b之間的可并聯(lián)連接的能量供給支路10a、10b來提供供給電壓。能量供給支路IOaUOb分別具有支路端子Ia和lb。儲能裝置10具有至少兩個并聯(lián)連接的能量供給支路IOaUOb0能量供給支路10a、10b的數(shù)量例如在圖1中為兩個，但是其中任意其他更大數(shù)量的能量供給支路10a、10b同樣是可能的。在此同樣還可能的是，僅僅將一個能量供給支路IOa連接到支路端子Ia和Ib之間，它們在該情況下構(gòu)成儲能裝置10的輸出端子4a、4b。
[0024]在此，能量供給支路10a、10b可以分別經(jīng)由存儲電感2a、2b與儲能裝置10的輸出端子4a耦合。存儲電感2a、2b例如可以是集中的或分立的器件。代替地，也可以使用能量供給支路10a、10b的寄生電感作為存儲電感2a、2b。
[0025]在單個儲能支路IOa的情況下,也可以放棄存儲電感2a或2b,使得能量供給支路IOa直接稱合到儲能裝置10的輸出端子4a、4b之間。
[0026]每個能量供給支路10a、10b都具有至少兩個串聯(lián)連接的儲能模塊3。每個能量供給支路的儲能模塊3的數(shù)量在圖1中例如為兩個，但是其中任意其他數(shù)量的儲能模塊3也是可能的。在此，每個能量供給支路10a、10b優(yōu)選包括相同數(shù)量的儲能模塊3，然而也可能的是，為每個能量供給支路10a、IOb設(shè)置不同數(shù)量的儲能模塊3。這些儲能模塊3分別具有兩個輸出端子3a和3b，經(jīng)由這些輸出端子可以提供儲能模塊3的輸出電壓。
[0027]儲能模塊3的示例性構(gòu)建方式在圖2和3中以放大的細節(jié)被示出。儲能模塊3分別包括帶有多個耦合元件7a和7c以及可能的7b和7d的耦合裝置7。儲能模塊3此外分別包括帶有一個或多個串聯(lián)連接的儲能單元5a、5k的儲能單元模塊5。
[0028]儲能單元模塊5在此例如可以具有串聯(lián)連接的電池5a至5k，例如鋰離子電池或鋰離子蓄電池。在此，儲能單元5a至5k的數(shù)量在圖2中所示的儲能模塊3中例如為兩個，但是其中任意其他數(shù)量的儲能單元5a至5k同樣是可能的。
[0029]儲能單元模塊5與所屬的耦合裝置7的輸入端子連接。耦合裝置7在圖2中示例性地被構(gòu)造為各帶有兩個耦合元件7a、7c和兩個耦合元件7b、7b的全橋電路。耦合元件7a、7b、7c、7d在此可以分別具有有源開關(guān)元件——例如半導體開關(guān)，和與該有源開關(guān)元件并聯(lián)連接的空轉(zhuǎn)二極管。半導體開關(guān)例如可以具有場效應(yīng)晶體管(FET)或帶有絕緣柵的雙極型晶體管(IGBT)。在該情況下，空轉(zhuǎn)二極管也可以分別集成在半導體開關(guān)中。
[0030]在圖2中的耦合元件7a、7b、7c、7d可以例如借助圖1中的控制裝置8被操控為使得儲能單元模塊5被選擇性地連接到輸出端子3a和3b之間或者儲能單元模塊5被橋接或者說被繞開。因此通過對耦合裝置7的合適的操控，各個儲能模塊3可以有目的地集成到能量供給支路10a、10b的串聯(lián)電路中。
[0031]參照圖2，可以將儲能單元模塊5例如連接到輸出端子3a和3b之間的正向上，其方式是，耦合元件7d的有源開關(guān)元件和耦合元件7a的有源開關(guān)元件處于閉合狀態(tài)中，而耦合元件7b和7c的兩個其余的有源開關(guān)元件處于斷開狀態(tài)中。在這種情況下，在耦合裝置7的輸出端3a和3b之間存在正模塊電壓。橋接狀態(tài)例如可以通過如下方式被調(diào)整出來:稱合元件7a和7b的兩個有源開關(guān)元件處于閉合狀態(tài)中，而耦合元件7c和7d的兩個有源開關(guān)元件保持斷開狀態(tài)。第二橋接狀態(tài)例如可以通過如下方式被調(diào)整出來:耦合元件7c和7d的兩個有源開關(guān)處于閉合狀態(tài)中，而耦合元件7a和7b的有源開關(guān)元件保持在斷開狀態(tài)中。在兩個橋接狀態(tài)中，在耦合裝置7的兩個輸出端3a和3b之間存在O電壓。同樣，儲能單元模塊5可以被連接到耦合裝置7的輸出端子3a和3b之間的反向方向上，其方式是，耦合元件7b和7c的有源開關(guān)處于閉合狀態(tài)中，而耦合元件7a和7d的有源開關(guān)元件處于斷開狀態(tài)中。在該情況下，在耦合裝置7的兩個輸出端3a和3b之間存在負模塊電壓。
[0032]在此，能量供給支路10a、10b的總輸出電壓可以分別按等級加以調(diào)整，其中等級數(shù)隨儲能模塊3的數(shù)量比例放縮。在η個第一和第二儲能模塊3的情況下，該能量供給支路10a、10b的總輸出電壓以2η+1個等級來加以調(diào)整。
[0033]圖3示出了儲能模塊3的另一示例性實施方式。在圖3中所示的儲能模塊3不同于在圖2中所示儲能模塊3僅僅在于:耦合裝置7具有兩個而不是4個耦合元件，它們連接成半橋電路而不是全橋電路。
[0034]在所示的實施變型方案中，有源開關(guān)元件可以被實施為功率半導體開關(guān)例如以IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)、JFET (結(jié)型場效應(yīng)晶體管)形式的功率半導體開關(guān)或者被實施為MOSFET (金屬氧化物半導體場效應(yīng)晶體管)。
[0035]儲能模塊3的耦合元件7a、7b、7c、7d也可以按時鐘地被操控，例如以脈寬調(diào)制方式(PWM)，使得所涉及的儲能模塊3時間上平均地提供模塊電壓，該模塊電壓可以具有在零和由儲能單元5a至5k確定的、最大可能模塊電壓之間的值。在此例如控制裝置、如在圖1中的控制裝置8可以對耦合元件7a、7b、7c、7d進行操控，所述控制裝置被設(shè)計為例如用下級的電壓控制裝置來執(zhí)行電流調(diào)節(jié)，使得可以進行各個儲能模塊3的分等級的接通或關(guān)斷。
[0036]圖4示出了帶有電池模塊I的儲能裝置20，用于將由儲能模塊3提供的直流電壓電壓變換成η相交變電壓。儲能裝置20包括儲能模塊3，這些儲能模塊在能量供給分支IlaUlbUlc中串聯(lián)地與并聯(lián)連接的能量供給支路10a、IOb連接。例如在圖4中示出了三個能量供給分支11a、lib、11c，它們適于例如針對交流電機產(chǎn)生三相交變電壓。但是清楚的是:能量供給支路的任意其他數(shù)量也是可能的。儲能裝置20在每個能量供給分支上擁有一個輸出端子12a、12b、12c。
[0037]能量供給分支11a、lib、Ilc在其端部上分別與輸出端子13a、13b和13c連接，這些輸出端子本身例如可以與參照電勢連接。每個能量供給分支lla、llb、llc具有兩個并聯(lián)連接的能量供給支路10a、10b。在圖4中每個能量供給分支的能量供給支路10a、10b的數(shù)量例如為兩個，但是其中能量供給支路10a、10b的任意其他數(shù)量同樣是可能的。在此，每個能量供給分支lla、llb、llc優(yōu)選包括相同數(shù)量的能量供給支路10a、10b，然而也可能的是，為每個能量供給分支lla、llb、llc設(shè)置不同數(shù)量的能量供給支路10a、10b。每個能量供給分支I la、I lb、I Ic的能量供給支路10a、10b可以經(jīng)由存儲電感2a、2b耦合到各自的輸出端子12a、12b、12c上。尤其是也可能的是，在每個能量供給分支lla、llb、llc中僅僅設(shè)置一個能量供給支路10a。在該情況下也可以放棄存儲電感2a、2b。
[0038]在圖4中的儲能裝置20的儲能模塊3尤其是可以按照圖2和3的實施例之一來構(gòu)造，使得能量供給分支lla、llb、llc可以模塊化地由類似儲能模塊3的組合的并聯(lián)和串聯(lián)電路構(gòu)造。類似于圖1中，在此儲能裝置20的控制裝置11可以操控耦合裝置7。
[0039]圖6示出了充電電路100的示意性說明，該充電電路具有按照圖1的儲能裝置10。充電電路100在此包括感應(yīng)式傳輸元件24b，該傳輸元件被構(gòu)造用于感應(yīng)式地接收充電交變電壓。例如感應(yīng)式傳輸元件24b可以具有相應(yīng)的感應(yīng)式耦合對應(yīng)件24a。傳輸元件24b以及耦合對應(yīng)件24a例如可以包括電感。在耦合對應(yīng)件24a中在此產(chǎn)生磁的交變場，其通過被交變電流流過的發(fā)射線圈產(chǎn)生。在傳輸元件24b中的接收線圈至少部分地由耦合對應(yīng)件24a的磁的交變場來激勵，由此在接收線圈中感應(yīng)出充電交變電壓。基于感應(yīng)的充電交變電壓，當電流相應(yīng)從接收線圈導出時，功率被傳輸。傳輸元件24b和耦合對應(yīng)件24a因此一起構(gòu)成耦合裝置，該耦合裝置代表帶有兩個相互電分離的回路的變壓器。
[0040]耦合對應(yīng)件24a通過能量供給網(wǎng)絡(luò)或其他交變電壓源供電，該能量供給網(wǎng)絡(luò)可以經(jīng)由插頭21連接到充電電路100上。能量供給網(wǎng)絡(luò)或交變電壓源的交變電壓在此可以經(jīng)由功率系數(shù)校正級和/或輸入整流器22輸出給傳輸操控裝置23，該傳輸操控裝置具有逆變器。傳輸操控裝置23的逆變器用于在諧振運行中調(diào)節(jié)充電電路100的傳輸段。
[0041]傳輸元件24b對整流器25饋電，該整流器與感應(yīng)式傳輸元件24b耦合并且被設(shè)計為將接收的充電交變電壓變換成充電直流電壓。此外整流器25例如可以還具有執(zhí)行功率補償?shù)慕M件。充電電路向整流器25傳輸?shù)某潆姽β试诖穗S著通過整流器25輸出的充電電壓而比例放縮。
[0042]整流器25在此直接耦合到儲能裝置10的輸出端子4a、4b上。在該背景下“直接”意味著，在整流器25和儲能裝置10之間不再中間連接另外的有源電流變換元件，尤其是不再中間連接直流電壓變換器。但是，在此可能的是:在整流器25和儲能裝置10之間設(shè)置用于暫時將整流器25從儲能裝置10脫耦的開關(guān)元件如繼電器等等。由此，整流器25至少在儲能裝置10的充電運行期間與儲能裝置10直接連接。
[0043]儲能裝置10的輸出端子4a、4b也可以與直流電壓中間回路26連接。直流電壓中間回路26在圖6中示例性的實施方式中對被構(gòu)造為脈沖逆變器的逆變器27饋電，所述逆變器從直流電壓中間回路26的直流電壓中提供用于電機28的三相交變電壓。但是根據(jù)針對電機28的需要的電壓供給，也可以使用用于逆變器27的任何其他類型的變換器類型，例如直流電壓變換器。逆變器27例如可以以空間向量調(diào)制的脈寬調(diào)制(SVPWM，“空間向量脈寬調(diào)制”)方式來運行。
[0044]逆變器27在圖6中例如用于對三相電機28饋電。但是也可以設(shè)想:使用儲能裝置10來產(chǎn)生用于能量供給網(wǎng)絡(luò)的電流。代替地，電機28也可以是同步電機或異步電機、磁阻電機或無刷直流電動機(BLDC,“brushless DC motor”)。在此,也可能的是:在靜止系統(tǒng)中使用儲能裝置10，例如在發(fā)電站中、在電能量獲得設(shè)備例如風力發(fā)電站、光伏設(shè)備或熱力耦合設(shè)備中、在儲能設(shè)備例如壓縮空氣存儲發(fā)電站、電池存儲發(fā)電站、飛輪存儲器、泵存儲器或類似系統(tǒng)中。在圖6中的充電電路100的另外的應(yīng)用可能性是人員或貨物運輸交通工具，為了前進它們置于水下或水上，例如船、摩托艇等等。
[0045]圖7示出了充電電路200的示意性示圖，其具有如在圖4中所示的儲能裝置20。充電電路200不同于在圖6中所示的充電電路100主要在于，整流器25通過輸出端子對12a和13a、12b和13b以及12c和13c直接對儲能裝置20饋電。儲能裝置20在此具有集成的逆變器功能，使得輸出端子13a、13b和13c可以直接與三相電機28的相引線連接。但是，如下面描述地，與針對在圖6中的儲能裝置10相同的原理適于儲能裝置20的各個能量供給分支IlaUlb和Ilc的饋電。
[0046]能量供給支路10a、10b的輸出電壓的走向隨著在該能量供給支路中存在的儲能單元5a至5k的充電狀態(tài)持續(xù)地上升，也即儲能單元5a至5k的充電狀態(tài)越高，為充電所需的輸出電壓就越大。尤其是在鋰離子蓄電池作為儲能單元5a至5k的情況下，單元電壓從在完全放電狀態(tài)中的大約3V變動直至在完全充電狀態(tài)中的大約4.1V。相應(yīng)地，具有各帶有12個儲能單元5a至5k的8個儲能模塊3的能量供給支路10a、10b的總輸出電壓在290V和390V之間的范圍中變動。
[0047]在低充電狀態(tài)下，充電電路100或200以高充電功率并且隨之而來的輸出電壓運行。例如，充電直流電壓的輸出范圍可以處于大約260V和大約320V之間。只要儲能單元5a至5k的充電狀態(tài)在充電閾值之下，充電電路100或200就可以同時對所有儲能單元5a至5k充電。[0048]在儲能單元5a至5k的充電狀態(tài)的充電閾值被超過的情況下，不再是所有的儲能單元5a至5k或者不再是所有的儲能模塊3同時被充電。例如可以從能量供給支路10a、IOb的N個儲能模塊3中暫時去掉同時充電運行的M個儲能模塊3。可以例如數(shù)量M=l。為了仍然可以對暫時去掉充電運行的儲能模塊3同時充電，可以規(guī)定:周期地在所有N個儲能模塊3上交換參加充電運行的儲能模塊3。于是，所有儲能模塊3在時間上平均地被相同地充電，其中能量供給支路10a、IOb的總輸出電壓相對于接通所有N個儲能模塊3被減少。由此可以又將充電電壓保持在充電閾值之下。
[0049]于是每次當在儲能單元5a至5k的繼續(xù)充電狀態(tài)時充電電壓重新超過充電閾值時，沒有接通的儲能模塊3的數(shù)量M可以增加，例如整數(shù)遞增。又可以適配對暫時參加充電運行的N-M個儲能模塊3的周期性完全交換。
[0050]通過對同時參加充電運行的儲能模塊3的數(shù)量的適配，可以將充電電壓始終保持在預(yù)定義的充電電壓范圍中。充電電壓范圍在此可以優(yōu)選地適配于充電電路100或200的感應(yīng)式傳輸段的最優(yōu)調(diào)節(jié)范圍。當儲能模塊3的數(shù)量的按級別適配應(yīng)當不夠的時候，也可以以脈寬調(diào)制(PWM)方法來操控各個儲能模塊3，以便能夠調(diào)整輸出電壓的中間值。由此可以針對不同電池類型使用相同的充電電路拓撲，而不必進行傳輸段的組件方面的實質(zhì)改變。相反，通過合適地操控儲能裝置10或20來進行充電電壓的適配，其方式是相應(yīng)地選擇要充電的儲能模塊3的時間順序選擇。
[0051]圖5這里示出了用于對儲能裝置、尤其是儲能裝置10或20充電的示例性方法30的示意圖，所述儲能裝置10或20結(jié)合圖1至4和6至7來說明。在第一步驟31中，利用感應(yīng)式傳輸元件24b進行充電交變電壓的感應(yīng)式接收。接收的充電交變電壓可以在第二步驟32中被轉(zhuǎn)換成充電直流電壓，例如利用整流器25。
[0052]之后，在步驟33中確定儲能裝置10或20的儲能單元5a至5k的充電狀態(tài)，儲能裝置10或20結(jié)合圖1至4和6至7來說明。最后，可以在步驟34中通過根據(jù)所確定的儲能單元5a至5k的充電狀態(tài)操控儲能模塊3的耦合裝置7來調(diào)整能量供給支路10a、10b的輸出電壓。
[0053]儲能模塊3的耦合裝置7的操控在此可以包括將儲能單元模塊5選擇性地接通到各自的能量供給支路10a、10b中或關(guān)斷?？蛇x地，方法30在此還可以包含周期地交換接通到各自的能量供給支路10a、10b中的儲能單元模塊5的步驟35，其中接通到各自的能量供給支路10a、10b中的儲能單元模塊5的數(shù)量根據(jù)所確定的儲能單元5a，5k的充電狀態(tài)來加以確定。
【權(quán)利要求】
1.用于儲能裝置(10；20)的充電電路(100 ;200)，帶有: 感應(yīng)式傳輸元件(24b)，所述感應(yīng)式傳輸元件被設(shè)計用于感應(yīng)式地接收充電交變電壓； 整流器(25)，所述整流器與感應(yīng)式傳輸元件(24b)耦合并且被設(shè)計用于將接收的充電交變電壓轉(zhuǎn)換成充電直流電壓；以及 儲能裝置(10 ;20)，該儲能裝置具有至少一個耦合在儲能裝置(10 ；20)的兩個輸出端子(4a，4b ;12a，13a ;12b，13b ; 12c，13c)之間的能量供給支路(IOa ;10b)，其中能量供給支路(10a ；10b)具有: 一個或多個在該能量供給支路(10a ；10b)中串聯(lián)連接的儲能模塊(3)，該一個或多個儲能模塊分別具有:帶有至少一個儲能單元(5a，5k)的儲能單元模塊(5)，以及帶有多個耦合元件(7a，7b, 7c, 7d)的耦合裝置(7)，該耦合裝置被設(shè)計為選擇性地將儲能單元模塊(5)連接到各自的能量供給支路(10a ；10b)中或者在各自的能量供給支路中繞開儲能單元模塊(5)， 其中，整流器(25)直接與儲能裝置(10 ；20)的輸出端子(4a，4b ;12a，13a ;12b，13b ；12c，13c)耦合，并且儲能裝置(10 ;20)具有控制裝置(8 ; 11 )，該控制裝置被設(shè)計為在儲能裝置(10 ;20)的充電運行中通過整流器(25)根據(jù)所屬儲能單元(5a，5k)的充電狀態(tài)來操控儲能模塊(3)的耦合裝置(7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的充電電路(100;200)，其中所述耦合裝置(7)分別具有多個構(gòu)成全橋電路的耦合元件(7a，7b，7c，7d)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的充電電路(100;200)，其中所述耦合裝置(7)分別具有多個構(gòu)成半橋電路的耦合元件(7a，7c )。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的充電電路(100;200)，其中所述至少一個儲能單元(5a，5k)具有鋰離子蓄電池。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述的充電電路(100)，所述充電電路此外還具有直流電壓中間回路(26)，該直流電壓中間回路耦合在儲能裝置(10)的輸出端子(4a，4b)之間。
6.用于對儲能裝置(10;20)進行充電的方法(30)，具有步驟: 利用感應(yīng)式傳輸元件(24b)感應(yīng)式地接收(31)充電交變電壓； 利用整流器(25)將接收的充電交變電壓轉(zhuǎn)換(32)成充電直流電壓； 確定(33)帶有至少一個能量供給支路(10a ；10b)的儲能裝置(10 ；20)的儲能單元(5a,5k)的充電狀態(tài)，所述至少一個能量供給支路耦合在儲能裝置(10 ；20)的兩個輸出端子(4a，4b ;12a，13a ;12b，13b ; 12c，13c)之間，其中能量供給支路(IOa ;10b)具有: 一個或多個在能量供給支路(10a ；10b)中串聯(lián)連接的儲能模塊(3)，該一個或多個儲能模塊分別具有:帶有至少一個儲能單元(5a，5k)的儲能單元模塊(5)，以及帶有多個耦合元件(7a，7b，7c, 7d)的耦合裝置(7)，該耦合裝置被設(shè)計為選擇性地將儲能單元模塊(5)連接到各自的能量供給支路(IOa ；10b)中或者在各自的能量供給支路中繞開儲能單元模塊(5);并且 通過根據(jù)所確定的儲能單元(5a，5k)的充電狀態(tài)對儲能模塊(3)的耦合裝置(7)的操控來調(diào)整(34)能量供給支路(10a ；10b)的輸出電壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法(30)，其中對儲能模塊(3)的耦合裝置(7)的操控包括將儲能單元模塊(5)選擇性地接通到各自的能量供給支路(10a ；10b)中或關(guān)斷； 并且此外該方法(30)還具有步驟:周期地交換(35)接通到各自的能量供給支路(IOa ；IOb)中的儲能單元模塊(5)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法(30)，其中根據(jù)所確定的儲能單元(5a，5k)的充電狀態(tài)來確定接通到各自的 能量供給支路(10a ；10b)中的儲能單元模塊(5)的數(shù)量。
【文檔編號】H02J7/00GK103997074SQ201410056069
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年2月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年2月19日
【發(fā)明者】P.費伊爾施塔克 申請人:羅伯特·博世有限公司