用于对能量存储器的各个串联的单元进行电荷均衡的设备和方法技术

本发明专利技术涉及用于利用ＤＣ／ＤＣ转换器对能量存储器的串联的各个单元进行电荷均衡的设备和方法，所述ＤＣ／ＤＣ转换器从所述能量存储器或其它的能量源中取得能量，从而对中间回路电容器充电，所述中间回路电容器的电压在ＤＣ／ＡＣ转换器中被逆变，并且所述交流电压经由ＡＣ总线和耦合元件借助于整流器被转换为脉动直流电压。在此情况下，分别在所述ＡＣ总线和每个单元之间布置开关，经由所述开关，所述单元可以被耦合在所述ＡＣ总线上，或者从所述ＡＣ总线分离。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于对能量存储器的各个串联的单元、特别是对双层电容器的如在汽车车用电网中所应用的串联电容器进行电荷均衡的设备和方法。 例如在通过作为电动机工作的集成式起动器发电机对内燃机进行加速支持(助推)时，或者在通过作为发电机工作的集成式起动器发电机在再生制动过程中将动能转换为电能(回收)时，双层电容器被证明是用于在汽车车用电网(Bordnetz)中存储和提供短期高功率的最合理的技术解决方案。 双层电容器的单个单元的最大电压被限制约为2.5V至3.0V，使得对于例如60V的电压(对于在42V车用电网中所使用的双层电容器而言是典型的电压值)必须将大约20至26个单个电容器串联成电容器组中。 随着时间的推移，由于所述单个单元的不同的自动放电，在电容器组中形成电荷不平衡，其中如果不执行电荷均衡，则所述电荷不平衡最终导致所述双层电容器不可用。 如果在从周到月的时间间隔上外推在汽车中重要的放电曲线，则存在的问题变得明显。附图说明图1范例地示出了带有18个单元(电容器)的双层电容器(电容器组)的电容器电压在时间上的特性曲线分散范围。在图1中所示的分散宽度(在最大值和最小值之间)表明，在电容器组中的单个单元的自动放电可以在怎样的程度上随着时间波动。 但是在双层电容器中，如在铅酸蓄电池情况下例如通过所述电容器组的微小过量充电的简单电荷均衡是不可能的。 企业内公知的可能性在于对每个单个单元的电压借助于单独的电子系统(运算放大器和分压器R1/R2)进行监控，并且当达到或者超过预定的最大值Uref时借助于可接通的并联电阻Rbyp引起部分放电(图2)。于是，所述单元通过所述并联电阻Rbyp放电，并且所述单元的电压UC再次下降到所述最大值之下。如果所述最大值低于一个预定的电压值，那么所述并联电阻Rbyp再次被切断。 这样一种电路在被动状态下需要少量的能量，但是通过电荷衰减(在并联电阻Rbyp中的能量损耗)实现所述电荷均衡。这种变型在那里可以合理地得以使用，其中电容器组主要在最大电压附近运行，例如在由备用发电设备供电时。 然而所述构思被限制于以下方面，即通向所述电容器组的充电电流必须小于所述电荷均衡电路的放电电流，因为否则在对所述模块充电时仍然不能防止单个电容器的过量充电。此外所述均衡系统不能被从外部接通，而是只能通过超过所述预定的电压门限来激活。然而在汽车中运行时，恰好是这种状态无法经过较长的时间而被达到。这样设计的电荷均衡长期导致在电容器组中的不对称。这已经可以通过在实验车辆中的测量来证实。 总的来说，这样一种电路装置有下列缺点 -当单元超过所述最大电压(例如UC＞2.5V)时，不向上一级运行管理进行反馈， -不反馈单元电压是否大小相同，并且因此所述电容器组是否均衡， -只有当所述最大电压被超过时，均衡才被激活， -在均衡过程期间，能量被电阻转换为热量， -在正如在前面所描述的车辆功能回收(再生制动)中出现的高达约1KA的高电流时，这样形成的电荷均衡是不可能的。 由EP 0 432 639 B2已知，通过为所述蓄电池组的每个单个蓄电池设置比较电路和充电电路(其拥有方波函数发生器)以及二极管、变压器和断路器，在多个串联的蓄电池中，在弱充电的蓄电池和其余蓄电池的分组之间导致电荷均衡。 借助于根据闭塞转换器(Sperrwandler)原则作为反激变换器工作的这种设备(图3)，从整个组中取得能量，并且将所述能量随后回馈到放电最多的蓄电池中。 这种消耗对于两个或者三个蓄电池而言可能是合理的，但该消耗对于由二十个或者更多蓄电池/电容器单元组成的组而言肯定是太高了。 可替代地，这里也可以使用另外一种能量源，例如附加电池，由此所述电路可以额外地用于对所述电容器组缓慢充电，也参见DE102 56 704 B3。 此外，所述电荷均衡的这种形式可以无论何时地被执行，而不依赖于是否达到所述单个电容器的最大电压，使得在电容器组中根本不能够形成危险的电荷不平衡。 在此只是推迟充电。长期没有能量被从组中取出，或者被转换成热量。这使得用于汽车应用的构思特别具有吸引力，因为即使在较长的停车后，也必须在车用电网中有足够的能量，以便可靠地保证成功地起动发动机。 然而，这种实施例的缺点是所述反激式变压器的二次侧需要非常多的端子。在如所述42V车用电网中所需要的带有例如25个单个单元的电容器组中，从中得出50个端子。这在技术实现中需要特定的线圈体，所述线圈体通常在商业上是不可用的。此外组中的单元数量的每次改变都需要所述变压器的匹配。但这是可以被期待的，因为随着所述双层电容器的技术进一步发展，允许的最大电压一代代地提高，并且在给定的模块电压情况下，需要相应少的单个电容器。 从变压器到电容器单元的布线也是耗费的，原因在于在组中的每一接触都必须单独连接。在前面的例子中，只要整流器二极管被布置在所述变压器上，则这得出26个线路；否则有50个线路。此外，这些线路被加载有从反激式变换器(Flyback-Converter)的开关过程所产生的高频电压脉冲，并且需要分开的EMV抗干扰措施。 另一种方面是用于运行所述反激式变换器的方法。市场上通常的驱动电路(开关调节器IC)几乎仅仅以固定的开关频率工作。磁性存储器(存储电感或变压器)的充电在时钟的一个相位中实现，向输出回路中的放电或能量传输另一相位中实现。如果除了所接通的电流之外还一起传输直流分量(无空隙运行)，则这首先是有意义的。完全一般地试图避免开关空隙、也即所述磁性存储元件保持完全放电的时间间隔，因为这样放大地出现振荡倾向，并且不能最佳地使用所述磁核的存储特性。振荡是在谐振回路中建立的，所述谐振回路由存储电感和绕组电容构成，以及基于所述实事，即所述谐振回路在所述开关空隙开始被激发，并且不通过欧姆负载而衰减。 在现有的应用情况下，无空隙运行仍然是不可能的，因为在对所述磁性存储器的连续补充充电情况下，总是在其完全放电之前不能避免核材料的饱和。 本专利技术的任务是实现一种带有简化构造的设备，借助于所述设备可以以很少的技术耗费来实现用于在所述各个串联单元之间进行电荷均衡的受控制的运行。 本专利技术的任务还有实现一种用于运行这种设备的方法。 根据本专利技术，所述任务根据权利要求1的特征所述的设备和根据权利要求11的特征所述的用于运行这种设备的方法来得到解决。 在至少两个串联的能量存储器(单元)中，用于均衡所存储的电荷所需的能量经由交流电压总线(AC总线)来输送，其中在所述AC总线和每个单元之间布置选择开关，由此可以使所述单元与所述AC总线电连接或是与之电分离。 本专利技术的有利的改进由从属权利要求得出。 所述单元的连接和电势分离通过电容器或变压器来实现。 所述选择开关优选地被构建为晶体管、特别是MOSFET晶体管。这种晶体管被驱动单元驱动。这种驱动优选地依赖于所述单元的至少一个运行参数、例如电容或所述内阻来实现。 可以通过总线系统简单地进行安装。各个单元通过一个或者两个AC总线线路供电。对于所述电路只需要少量且廉价的组件。所述组件基本上是标准组件。 所述均衡过程可以在任何时候被激活。这种激活可以例如通过控制器来实现，所述控制器根据汽车、特别是内燃机和/或起动器发电机的运行参数来确定激活时间点。通过所述均衡电路本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于对能量存储器（ＤＬＣ）的串联的各个单元（Ｚ↓［１］至Ｚ↓［ｎ］）进行电荷均衡的设备，其特征在于：设置ＤＣ／ＤＣ转换器（１），所述ＤＣ／ＤＣ转换器经由第一开关（ＳＢ１）与所述能量存储器（ＤＬＣ）的端子相连接，设置连接在所述ＤＣ／ＤＣ转换器（１）之后的ＤＣ／ＡＣ转换器（２），所述ＤＣ／ＡＣ转换器包含中间回路电容器（Ｃ↓［Ｚ］）和桥电路（Ｔ１至Ｔ４），设置至少一个连接在所述ＤＣ／ＡＣ转换器（２）之后的ＡＣ总线（４，４．１，４．２），在每个单元（Ｚ↓［１］至Ｚ↓［ｎ］）和每个ＡＣ总线（４．１，４．２）之间布置耦合元件（Ｃ↓［Ｋ１］至Ｃ↓［Ｋｎ］，Ｃ↓［Ｋ１ａ］和Ｃ↓［Ｋ１ｂ］至Ｃ↓［Ｋｎａ］和Ｃ↓［Ｋｎｂ］）和整流器（３）的串联电路，和在所述ＡＣ总线（４）和每个所述单元（Ｚ↓［１］至Ｚ↓［ｎ］）之间布置至少一个选择开关（Ｓ），由此可以使所述单元（Ｚ↓［１］至Ｚ↓［ｎ］）与所述ＡＣ总线（４）电连接或者在电上与所述总线分离。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】DE 2005-3-24 10 2005 014 285.01.用于对能量存储器(DLC)的串联的各个单元(Z1至Zn)进行电荷均衡的设备，其特征在于设置DC/DC转换器(1)，所述DC/DC转换器经由第一开关(SB1)与所述能量存储器(DLC)的端子相连接，设置连接在所述DC/DC转换器(1)之后的DC/AC转换器(2)，所述DC/AC转换器包含中间回路电容器(CZ)和桥电路(T1至T4)，设置至少一个连接在所述DC/AC转换器(2)之后的AC总线(4，4.1，4.2)，在每个单元(Z1至Zn)和每个AC总线(4.1，4.2)之间布置耦合元件(CK1至CKn，CK1a和CK1b至CKna和CKnb)和整流器(3)的串联电路，和在所述AC总线(4)和每个所述单元(Z1至Zn)之间布置至少一个选择开关(S)，由此可以使所述单元(Z1至Zn)与所述AC总线(4)电连接或者在电上与所述总线分离。2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述整流器(3)这样被构建，使得一个二极管(Dxa，Dxc，其中x＝1至n)从耦合电容器(CKx，CKxa，CKxb)的背离AC总线(4，4.1，4.2)的端子向所分配的单元(Zx)的正端子是导通的，并且另一二极管(Dxb，Dxd)从所述单元(Zx)的负端子向所分配的耦合电容器(CKx，CKxa，CKxb)的背离AC总线(4，4.1，4.2)的端子是导通的。3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述DC/DC转换器(1)可以经由第二开关(SB2)与另外的能量源(B)相连。4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述DC/DC转换器(1)是电流调节的降压转换器。5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述DC/AC转换器(2)的桥电路被构建为带有与中间回路电容器(CZ)并行的两个串联的晶体管(T1，T2)的单相半桥。6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述DC/AC转换器(2)的桥电路被构建为多相的，其中作为半桥的每一相由两个串联的晶体管(T1-T2，T3-T4)组成，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：S博尔茨，M戈特詹伯格，R诺尔，
申请(专利权)人：西门子威迪欧汽车电子股份公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]