專利名稱：用于對(duì)儲(chǔ)能器的串聯(lián)布置的單個(gè)單元進(jìn)行電荷補(bǔ)償?shù)难b置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于對(duì)儲(chǔ)能器的串聯(lián)布置的單個(gè)單元、尤其是對(duì)如在機(jī)動(dòng)車車載電網(wǎng)中所使用的雙層電容器的串聯(lián)連接的電容器進(jìn)行電荷補(bǔ)償?shù)难b置和方法。
例如在通過作為電動(dòng)機(jī)工作的集成起動(dòng)器-發(fā)電機(jī)對(duì)內(nèi)燃機(jī)加速支持(助推)的情況下、或者在再生制動(dòng)過程中通過作為發(fā)電機(jī)工作的集成起動(dòng)器-發(fā)電機(jī)把動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能(回收)的情況下，雙層電容器已經(jīng)表明是在機(jī)動(dòng)車車載電網(wǎng)中短期儲(chǔ)存并且提供高功率的最適合的技術(shù)解決方案。
雙層電容器的單個(gè)電容器的最大電壓限于大約2.5V至3.0V，使得對(duì)于例如60V的電壓必須把大約20至26個(gè)單個(gè)電容器串聯(lián)連接成電容器組，所述60V電壓是在42V車載電網(wǎng)中所使用的雙層電容器的典型電壓值。
由單個(gè)單元的不同的自放電所決定，隨著時(shí)間推移在電容器組中形成一種電荷不平衡，如果不進(jìn)行電荷補(bǔ)償，所述電荷不平衡最終會(huì)使所述雙層電容器不能用。
如果將放電曲線外推到在機(jī)動(dòng)車中重要的從周至月的時(shí)間間隔，則存在的問題變得顯而易見。

圖1相對(duì)于時(shí)間示范性地示出具有18個(gè)單元(電容器)的雙層電容器(電容器組)的電容器電壓的偏差范圍(Streubereich)。在圖1中所示的偏差寬度(在最大值與最小值之間)表明在電容器組內(nèi)部單個(gè)單元的自放電隨著時(shí)間可以在多大程度上波動(dòng)。
然而，如在鉛酸蓄電池情況下通過對(duì)電容器組稍微過充電的簡(jiǎn)單電荷補(bǔ)償在雙層電容器的情況下是不可能的。
一種公司內(nèi)部公知的可能性在于，借助于單獨(dú)的電子系統(tǒng)(運(yùn)算放大器和分壓器R1/R2)監(jiān)控每個(gè)單個(gè)單元的電壓，并且在達(dá)到或者超過預(yù)先給定的最大值Uref的情況下借助于可連接的并聯(lián)電阻Rbyp引起部分放電(圖2)。于是所述單元通過并聯(lián)電阻Rbyp放電并且其電壓UC重新降低至所述最大值以下。如果不超過所述最大值有一個(gè)預(yù)先確定的電壓值，則重新斷開所述并聯(lián)電阻Rbyp。
這種電路在無源狀態(tài)下消耗很少的電能，然而由于電荷減少(在并聯(lián)電阻Rbyp中的能耗)而實(shí)現(xiàn)電荷補(bǔ)償。例如在備用供電設(shè)備供電時(shí)在主要地以接近于所述最大電壓方式運(yùn)行電容器組的情況下合理地使用該變型方案。
然而該構(gòu)思卻局限于以下方面，即進(jìn)入所述電容器組中充電電流必須小于電荷補(bǔ)償電路的放電電流，因?yàn)榉駝t仍然不能夠防止在對(duì)模塊充電時(shí)單個(gè)電容器的過充電。此外所述補(bǔ)償系統(tǒng)不能夠從外部被接入，而是只能夠通過超過所述預(yù)先確定的電壓閾值被激活。然而在機(jī)動(dòng)車中運(yùn)行時(shí)不經(jīng)過較長(zhǎng)的時(shí)間就剛好達(dá)到該狀態(tài)。這樣設(shè)計(jì)的電荷補(bǔ)償在長(zhǎng)期內(nèi)導(dǎo)致所述電容器組中的不對(duì)稱。這已經(jīng)能夠通過在實(shí)驗(yàn)汽車中的測(cè)量得以證明。
總而言之，這樣一種電路裝置具有以下的缺點(diǎn)-當(dāng)一個(gè)單元已經(jīng)超過了所述最大電壓(例如UC＞2.5V)時(shí)對(duì)上級(jí)的運(yùn)行沒有響應(yīng)，-對(duì)于單元電壓是否大小相同并且因此所述電容組是否被補(bǔ)償沒有響應(yīng)，-只有在超過所述最大電壓時(shí)才激活所述補(bǔ)償。
-在補(bǔ)償過程中能量被電阻轉(zhuǎn)換成熱，-在如在前文說明的汽車功能“回收(再生性制動(dòng))”時(shí)出現(xiàn)的高達(dá)約1kA的高電流情況下，這樣建立的電荷補(bǔ)償是不可能的。
從EP 0 432 693 B2公知，在串聯(lián)連接的蓄電池的一種變型方案情況下在弱充電的蓄電池與其余蓄電池的組之間引起電荷補(bǔ)償，其方式是為該蓄電池組的每個(gè)蓄電池設(shè)置比較電路和充電電路(所述充電電路具有矩形函數(shù)發(fā)生器)以及二極管、變壓器和斷路器。
借助于作為根據(jù)回掃轉(zhuǎn)換器原理的回掃轉(zhuǎn)換器工作的這樣一種裝置(圖3)從整個(gè)組取得能量并且接著將所述能量回饋到放電最多的蓄電池中。
這種耗費(fèi)對(duì)于兩個(gè)或者三個(gè)蓄電池可能是公平的，但是對(duì)于由二十個(gè)或者更多的蓄電池/電容器單元組成的組而言耗費(fèi)卻明顯過高。
作為替代方案，這里還可以采用另一種能源(例如附加的電池)，由此所述電路可以附加地用于對(duì)所述電容器組緩慢充電，參閱DE 102 56 704 B3。
此外這種形式的電荷補(bǔ)償還可以與達(dá)到單個(gè)電容器的最大電壓無關(guān)地在任何時(shí)間進(jìn)行，使得在電容器組中完全不會(huì)形成危險(xiǎn)的電荷不平衡。
在此電荷只是被移動(dòng)。能量長(zhǎng)期地不被從所述組取出或者不被轉(zhuǎn)換成熱。這使得該構(gòu)思對(duì)于機(jī)動(dòng)車應(yīng)用特別地有吸引力，因?yàn)樵谳^長(zhǎng)的汽車停車狀態(tài)之后在車載電網(wǎng)中也必須有足夠的能量以可靠地保證成功的電動(dòng)機(jī)起動(dòng)。
然而這該實(shí)施方式的情況下的缺點(diǎn)是，在回掃變壓器的次級(jí)側(cè)需要非常多的端子。在對(duì)于42V車載電網(wǎng)所需要的例如具有25個(gè)單個(gè)單元的電容器組的情況下，由此得出50個(gè)端子。這在技術(shù)實(shí)現(xiàn)中使得要求在商業(yè)上通常不可用的特定的線圈體。此外，在組中的單元數(shù)的每個(gè)改變都需要所述變壓器的一種匹配。然而這是可期待的，因?yàn)殡S著雙層電容器的在技術(shù)上的進(jìn)一步發(fā)展允許的最大電壓一代一代地上升并且在給定的模塊電壓的情況下需要相應(yīng)較少的單個(gè)電容器。
從所述變壓器向所述電容器單元的布線也是耗費(fèi)的，因?yàn)樵诮M中的每個(gè)接觸都必須單獨(dú)地被連接。在上例中，只要在所述變壓器上布置有整流二極管，則這得出26個(gè)線路；在其它的情況下是50個(gè)線路。此外這些線路上被加載由回掃轉(zhuǎn)換器的開關(guān)過程所產(chǎn)生的高頻電壓脈沖并且需要分開的EMV抗干擾措施。
另一個(gè)方面是運(yùn)行所述回掃轉(zhuǎn)換器的方法。市場(chǎng)上慣用的控制電路(開關(guān)調(diào)節(jié)器IC)幾乎只用一種固定的開關(guān)頻率工作。磁存儲(chǔ)器(存儲(chǔ)器電感或者存儲(chǔ)變壓器)的充電在時(shí)鐘的一個(gè)階段中進(jìn)行，而向輸出回路中的放電或者說能量傳輸在所述時(shí)鐘的另一階段中進(jìn)行。如果除了交變的電流以外還一起傳輸直流部分(無間隙式運(yùn)行)，則這首先是適合的。一般試圖避免開關(guān)間隙、也就是磁性存儲(chǔ)元件保持完全放電的時(shí)間間隔，因?yàn)橛谑窃谠鰪?qiáng)的程度上出現(xiàn)振蕩傾向，并且未理想地利用磁芯的存儲(chǔ)特性。所述振蕩是由諧振回路引起的，所述諧振回路由存儲(chǔ)器電感和線圈電容組成，以及由以下事實(shí)引起，即所述諧振回路在開關(guān)間隙開始時(shí)被激勵(lì)并且通過非歐姆性負(fù)載被阻尼。
然而在該應(yīng)用情況下無間隙式運(yùn)行是不可能的，因?yàn)樵趯?duì)磁存儲(chǔ)器連續(xù)再充電的情況下分別在其完全放電以前不可避免磁芯材料的飽和。
本發(fā)明的任務(wù)是，實(shí)現(xiàn)具有簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的裝置，借助于所述裝置可以以很低的技術(shù)耗費(fèi)達(dá)到用于在串聯(lián)連接的各個(gè)單元之間電荷補(bǔ)償?shù)淖钥剡\(yùn)行。
本發(fā)明的任務(wù)還實(shí)現(xiàn)一種運(yùn)行這樣的裝置的方法。
根據(jù)本發(fā)明，所述任務(wù)通過根據(jù)權(quán)利要求1所述特征的裝置和根據(jù)權(quán)利要求11所述特征的用于運(yùn)行所述裝置的方法來解決。
在至少兩個(gè)串聯(lián)連接的儲(chǔ)能器(單元)的情況下通過交流電壓總線(AC總線)分別向其上有最低的單元電壓降的單元輸送用于補(bǔ)償所存儲(chǔ)的電荷所需要的能量。
本發(fā)明的有利改進(jìn)由從屬權(quán)利要求中得出。
根據(jù)本發(fā)明，所述單元的連接和電位分隔通過電容器進(jìn)行。
安裝可以通過總線系統(tǒng)簡(jiǎn)單地進(jìn)行。各個(gè)單元通過一個(gè)或者兩個(gè)AC總線線路供電。對(duì)于電路只需要少量的并且價(jià)格低廉的部件。所述部件基本上是標(biāo)準(zhǔn)部件。
補(bǔ)償過程可以在任何時(shí)間被激活。該激活例如可以通過控制裝置進(jìn)行，所述控制裝置根據(jù)機(jī)動(dòng)車、尤其是內(nèi)燃機(jī)和/或起動(dòng)器-發(fā)電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)確定激活時(shí)刻。
通過所述補(bǔ)償電路可以進(jìn)行所述電容器的再充電。以此方式可以從另一能源重新給空單元的串聯(lián)電路充電，并且如此例如可以使較長(zhǎng)時(shí)間停車的機(jī)動(dòng)車重新能夠起動(dòng)。
可以簡(jiǎn)單地?cái)U(kuò)展并且由此容易地標(biāo)度整個(gè)系統(tǒng)。
所述電路裝置以特別的方式適用于集成在儲(chǔ)能器的串聯(lián)連接的單元的組中和/或集成在單個(gè)單元的或者整個(gè)儲(chǔ)能器的殼體中。
作為儲(chǔ)能器，這里尤其適合的是雙層電容器、也被稱超級(jí)電容器或者超電容器(Super-或者Ultra-Cap)。
下面借助于一個(gè)示意圖詳細(xì)地說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例。在附圖中圖1相對(duì)于時(shí)間示出雙層電容器的不同單元的電容器電壓的偏差，圖2示出在儲(chǔ)能器的情況下用于實(shí)現(xiàn)電荷補(bǔ)償?shù)囊环N公知的電路裝置，圖3示出在儲(chǔ)能器的情況下用于實(shí)現(xiàn)電荷補(bǔ)償?shù)牧硪环N公知的電路裝置，圖4示出如本發(fā)明所述的電荷補(bǔ)償電路的方框圖，圖5示出電荷補(bǔ)償電路的一個(gè)實(shí)施例，并且圖6示出電荷補(bǔ)償電路的另一實(shí)施例。
圖1至圖3在前文已經(jīng)得以說明。
如本發(fā)明所述的用于對(duì)儲(chǔ)能器的單元電荷補(bǔ)償?shù)脑黼娐返姆娇驁D在圖4中示出。通過第一轉(zhuǎn)換器1產(chǎn)生直流電壓。該直流電壓通過第二轉(zhuǎn)換器2以例如50kHz的脈沖頻率被逆變，并且用該交流電壓對(duì)AC總線4加載。這里導(dǎo)線(纜線、銅母線等等)的系統(tǒng)被稱為總線。
在該總線4上通過分別一個(gè)耦合電容器和一個(gè)整流器3連接雙層電容器DLC的串聯(lián)連接的單元Z1至Zn。所述耦合電容器CK被用于電位分離并且部分地由所述交流電壓再充電。
圖5示出如本發(fā)明所述的用于對(duì)雙層電容器DLC的單元Z1至Zn進(jìn)行電荷補(bǔ)償?shù)碾娐费b置的第一實(shí)施例。經(jīng)由雙層電容器DLC的各個(gè)單元Z1至Zn的串聯(lián)電路下降的電壓UDLC通過第一開關(guān)S1被輸送給DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器1(例如電流調(diào)節(jié)的降壓轉(zhuǎn)換器(Tiefsetzsteller)1)。通過第二開關(guān)S2可以附加地或者或可替代地把能源(例如蓄電池B)與所述DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器1連接。
DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器1又與DC/AC電壓轉(zhuǎn)換器2的一個(gè)輸入端電連接，所述DC/AC電壓轉(zhuǎn)換器在該實(shí)施例中具有中間回路電容器CZ和兩個(gè)接成為半橋的晶體管T1和T2。所述中間回路電容器CZ或者可以經(jīng)開關(guān)S1由雙層電容器DLC充電或者可以經(jīng)開關(guān)S2由蓄電池B充電。該DC/AC電壓轉(zhuǎn)換器2的處于兩個(gè)晶體管T1和T2之間的輸出端與AC總線4連接，所述AC總線又分別具有針對(duì)其所分配的單元Z1至Zn的耦合電容器CK1至CKn。
在每個(gè)耦合電容器CKx(x＝1...n)與其所分配的單元Zx之間布置有整流器3，這里所述整流器分別由兩個(gè)二極管Dxa、Dxb組成。二極管Dxa分別把耦合電容器CKx的背離AC總線4的端子與所分配的單元Zx的具有較高電位的端子(簡(jiǎn)稱為“正端子”)連接，而二極管Dxb把該端子與該所分配的單元Zx的具有較低電位的端子(簡(jiǎn)稱為“負(fù)端子”)連接。
在此二極管Dxa從耦合電容器CKx向單元Zx的正端子沿導(dǎo)通方向被極化，而二極管Dxb從單元Zx的負(fù)端子向耦合電容器CKx沿導(dǎo)通方向被極化。
在該實(shí)施例中由半橋T1、T2組成的DC/AC電壓轉(zhuǎn)換器2在其處于兩個(gè)晶體管T1和T2之間的輸出端上提供矩形交流電壓，所述矩形交流電壓可以通過耦合電容器CK1至CKn被輸送給各個(gè)單元Z1至Zn。
對(duì)于耦合電容器可以采用各種電容器類型。然而必須使電容器的容量、頻率和內(nèi)損耗電阻互相協(xié)調(diào)。失調(diào)會(huì)導(dǎo)致所述耦合電容器的過大的再充電并且從而持久地使補(bǔ)償電路的選擇性和分離精度變差。
通過進(jìn)行連接的整流器3(二極管D1a、D1b至Dna、Dnb)對(duì)所述電流重新整流并且作為充電電流供給單元Z1至Zn。
為了能夠在雙層電容器DLC的串聯(lián)連接的電容器單元Z1至Zn上實(shí)現(xiàn)電荷補(bǔ)償，必須從具有最高電壓的那些單元Z1至Zn取出能量并且如此又供給在其上有最低電壓的單元，使得對(duì)這些單元充電。
所述電路可以劃分成三個(gè)分電路。第一部分是電流源，所述電流源有利地被實(shí)施成DC/DC開關(guān)調(diào)節(jié)器1。在電荷補(bǔ)償時(shí)，能量來自雙層電容器DLC本身，或者在充電過程中，來自第二能源(例如蓄電池B)。該能量被輸送給第二分電路的中間回路電容器CZ。對(duì)于DC/DC開關(guān)調(diào)節(jié)器1可以考慮所有公知的變型方案；有利的是作為由晶體管、扼流器和自振蕩二極管(圖中未示出)組成的降壓開關(guān)調(diào)節(jié)器。
第二分電路2除了所述中間回路電容器CZ以外還有橋式電路，在此是由兩個(gè)晶體管T1、T1組成的半橋，所述橋式電路從所述中間回路電容器CK饋電，并且其輸出端通過AC總線4被引導(dǎo)至所有的耦合電容器CK1至CKn上。該第二分電路相對(duì)于基準(zhǔn)電位GND(接地)產(chǎn)生交流電壓。
每個(gè)單元Z1至Zn各有第三分電路、即整流器3。該整流器把交流電流轉(zhuǎn)換成流過所述單元的脈動(dòng)直流電流。
針對(duì)單元Zx(其中x＝1至n)舉例地說明所述電荷補(bǔ)償?shù)倪^程，在該實(shí)施例中所述單元Zx應(yīng)該具有最低的單元電壓UZx。
耦合電容器CKx在交流電壓信號(hào)的負(fù)相位中(晶體管T2導(dǎo)通)通過下面的二極管Dxb(扣除二極管Dxb的導(dǎo)通電壓)被充電至單元Zx的(在該單元的負(fù)端子上的)低電位。
如果所述交流電壓信號(hào)接著把所述電位在足夠廣的程度上提高(晶體管T1導(dǎo)通)，則電流從中間回路電容器CZ經(jīng)由晶體管T1、AC總線4、耦合電容器CKx和二極管Dxa流過單元Zx和所有其正端子與要充電的單元Zx的正端子相比具有對(duì)基準(zhǔn)電位GND更低電位的單元(這里也就是單元Zx+1至Zn)，然后從那里流回中間回路電容器CZ。
在交流電壓信號(hào)的接下來的負(fù)相位中(晶體管T2重新導(dǎo)通)，電流沿相反的方向流經(jīng)其正端子與要充電的單元Zx的正端子相比具有對(duì)基準(zhǔn)電位GND更低電位的單元(也就是單元Zn至Zx+1)并且現(xiàn)在流經(jīng)二極管Dxb和耦合電容器CKx。該電流回路通過AC總線4和導(dǎo)通的晶體管T2閉合。
于是在單元Zx中出現(xiàn)脈動(dòng)充電直流電流，而其正端子具有對(duì)基準(zhǔn)電位GND較低電位的所有單元Zx+1至Zn經(jīng)受交流電流。
所述脈動(dòng)直流電流只能流入具有最低單元電壓UZx的單元Zx并且然后首先對(duì)該單元充電如此長(zhǎng)時(shí)間，直至該單元已經(jīng)達(dá)到另一單元的下一較高的單元電壓為止。然后該脈動(dòng)直流電流在這兩個(gè)單元上分配，直到所述單元已經(jīng)達(dá)到具有然后下一較高的單元電壓的單元為止，依此類推。以此方式實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)電容器組、也就是說所述雙層電容器DLC的所有單元的電荷補(bǔ)償。
對(duì)雙層電容器DLC的相應(yīng)的單元Zx充電所用的能量來自中間回路電容器CZ，所述中間回路電容器一方面通過所述載荷和另一方面通過恒定的再充電自動(dòng)地調(diào)節(jié)到適當(dāng)?shù)碾妷篣CZ。在此還自動(dòng)地得出，在其上有最低電壓降的單元得到最多的能量，而在其上當(dāng)前較高單元電壓降的單元(這里是Z1至Zx-1和Zx+1至Zn)根本不得到能量。
在此高品質(zhì)的高容量耦荷電容器和具有低導(dǎo)通電壓的二極管尤其適用。
如本發(fā)明所述的電路具有以下的功能組-給半橋2饋電的電流調(diào)節(jié)的降壓轉(zhuǎn)換器1，-自時(shí)鐘(selbstgetaktet)半橋2，-在其上連接有用于耦合輸出能量的各個(gè)單元的AC總線，-用于電位分離和能量傳輸?shù)鸟詈想娙萜鰿K1至CKn，和-具有二極管D1a、D1b至Dna、Dnb的用于整流所述交流電流的整流器3，所述交流電流給分別具有最低電壓的單元充電。
圖6示出如本發(fā)明所述的電路裝置的另一實(shí)施例，所述電路裝置在兩相變型方案中具有全橋和(Graetz(格列茨))整流器。這里單元Zx也是具有最低單元電壓UZx的單元。
這里功能相同的部分具有與由圖5中相同的附圖標(biāo)記。
具有兩相的實(shí)施例的電路與具有半橋和一相的如前面說明的并且在圖5中所示的實(shí)施例的電路類似地工作。但是，這里得出一定的優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)必須相對(duì)額外耗費(fèi)被復(fù)核。
如圖6所示的實(shí)施例包括具有兩個(gè)半橋的全橋電路作為DC/AC電壓轉(zhuǎn)換器2，所述半橋由第一和第二晶體管T1-T2或者第三和第四晶體管T3-T4組成，所述半橋與各一個(gè)總線線路4.1、4.2連接。通過其所分配的半橋?qū)γ總€(gè)總線線路饋給能量。
總線線路4.1通過分別一個(gè)耦合電容器CK1a至CKna、和一個(gè)由分別兩個(gè)二極管D1a、D1b至Dna、Dnb組成的整流電路與串聯(lián)連接的單元Z1至Zn連接。
總線線路4.2通過分別一個(gè)耦合電容器CK1b至CKnb、和一個(gè)分別由兩個(gè)二極管D1c、D1d至Dnc、Dnd組成的整流電路3與串聯(lián)連接的單元Z1至Zn連接。
例如這對(duì)于單元Zx意味著與半橋T1-T2連接的總線線路4.1通過耦合電容器CKxa一方面通過向單元導(dǎo)通的二極管Dxa與單元Zx的正端子連接，并且另一方面通過向耦合電容器導(dǎo)通的二極管Dxb與單元Zx的負(fù)端子連接。
另外與半橋T3-T4連接的總線4.2通過耦合電容器CKxb一方面通過向單元導(dǎo)通的二極管Dxc與單元Zx的正端子連接，并且另一方面通過向耦合電容器導(dǎo)通的二極管Dxd與單元Zx的負(fù)端子連接。
于是兩個(gè)整流器Dxa、Dxb和Dxc、Dxd與單元Zx并聯(lián)地工作。對(duì)所有其它的單元Z1至Zx-1和Zx+1至Zn的電路看起來是同樣的。
在此在兩相的情況下基本優(yōu)點(diǎn)是，取消了流過原本不參與的、當(dāng)前不充電的單元(這里也即流過單元Zx+1至Zn)的交流電流，所述單元也就是與單元Zx相比其正端子具有對(duì)基準(zhǔn)電壓GND較低的電位、但是具有較高單元電壓UZ的所有單元。
在該實(shí)施例中，這兩個(gè)半橋反相工作，也就是說，如果晶體管T1和T4在第一相位中導(dǎo)通，則晶體管T2和T3不導(dǎo)通；在第二相位中則相反這里晶體管T2和T3導(dǎo)通，而晶體管T1和T4不導(dǎo)通。
在所述第一相位中電流從中間回路電容器CZ經(jīng)由晶體管T1流入總線4.1中，經(jīng)由耦合電容器CKxa和二極管Dxa流過單元Zx并且經(jīng)由二極管Dxd、耦合電容器CKxb、總線4.2和晶體管T4流回中間回路電容器CZ。
在所述第二相位中電流從中間回路電容器CZ經(jīng)由晶體管T3流入總線4.2中，經(jīng)由耦合電容器CKxb和二極管Dxc流過單元Zx并且經(jīng)由二極管Dxb、耦合電容器CKxa、總線4.1和晶體管T2流回中間回路電容器CZ。
耦合電容器CKxa的補(bǔ)充充電電流與另一耦合電容器CKxb的放電電流補(bǔ)償。
通過降壓轉(zhuǎn)換器1從由串聯(lián)連接的各個(gè)單元Z組成的整個(gè)電容器組、也就是雙層電容器DLC中取得能量。選擇性地還可以通過附加的開關(guān)S2對(duì)系統(tǒng)供應(yīng)能量。
在相應(yīng)的AC總線上的電壓上升直到所述電壓對(duì)應(yīng)于最低單元電壓加上一個(gè)二極管電壓(根據(jù)圖5的實(shí)施例)或者加上兩個(gè)二極管電壓(根據(jù)圖6的實(shí)施例)。由此達(dá)到對(duì)最強(qiáng)烈放電的單元的非常有效的再充電。
整個(gè)電路不需要復(fù)雜的、昂貴的單個(gè)部件。
通過AC總線4或者4.1和4.2的結(jié)構(gòu)，可以輕易擴(kuò)展所述系統(tǒng)。附加的儲(chǔ)能器Zn+1可以簡(jiǎn)單地被連接到所述總線上，或者多余的被去除。
所述電荷補(bǔ)償電路還可以被用于對(duì)其它儲(chǔ)能器(例如對(duì)串聯(lián)連接的蓄電池)進(jìn)行電荷補(bǔ)償。
所述電路裝置(DLC、整流二極管、耦合電容器和一個(gè)/多個(gè)總線)既可以集成在包圍單個(gè)單元的殼體中也可以集成在公有殼體中。以此方式可以構(gòu)建只有三個(gè)或者四個(gè)端子的緊湊型單元。
權(quán)利要求
1.用于對(duì)儲(chǔ)能器(DLC)的串聯(lián)布置的單個(gè)單元(Z1至Zn)進(jìn)行電荷補(bǔ)償?shù)难b置，其特征在于，設(shè)有DC/DC轉(zhuǎn)換器(1)，所述DC/DC轉(zhuǎn)換器經(jīng)由第一開關(guān)(S1)與所述儲(chǔ)能器(DLC)的端子連接，設(shè)有連接在DC/DC轉(zhuǎn)換器(1)之后的DC/AC轉(zhuǎn)換器(2)，所述DC/AC轉(zhuǎn)換器包含中間回路電容器(CZ)和橋式電路(T1至T4)，設(shè)有連接在DC/AC轉(zhuǎn)換器(2)之后的至少一個(gè)AC總線(4、4.1、4.2)，并且在每個(gè)單元(Z1至Zn)與每個(gè)總線(4、4.1、4.2)之間布置至少一個(gè)耦合電容器(CK1至CKn、CK1a和CKab至CKna和CKnb)和整流器(3)的串聯(lián)電路。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，如此地構(gòu)造整流器(3)，使得二極管(Dxa、Dxc)從耦合電容器(CKx、CKxa、CKxb，其中x＝1至n)的背離AC總線(4、4.1、4.2)的端子向所分配的單元(Zx)的正端子導(dǎo)通，并且另外的二極管(Dxb、Dxd)從單元(Zx)的負(fù)端子向所分配的耦合電容器(CKx、CKxa、CKxb)的背離AC總線(4、4.1、4.2)的端子導(dǎo)通。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，DC/DC轉(zhuǎn)換器(1)可通過第二開關(guān)(S2)與另外的能源(B)連接。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，DC/DC轉(zhuǎn)換器(1)是電流調(diào)節(jié)的降壓轉(zhuǎn)換器。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，DC/AC轉(zhuǎn)換器(2)的橋式電路被構(gòu)造為具有與中間回路電容器(CZ)并聯(lián)的兩個(gè)串聯(lián)晶體管(T1、T2)的單相半橋。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，DC/AC轉(zhuǎn)換器(2)的橋式電路以多相方式構(gòu)造，其中每相作為半橋由兩個(gè)串聯(lián)的晶體管(T1-T2、T3-T4)組成，所述半橋與中間回路電容器(CZ)并聯(lián)。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述儲(chǔ)能器(DLC)是雙層電容器。
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述儲(chǔ)能器(DLC)由蓄電池的串聯(lián)電路組成。
9.如權(quán)利要求5或6所述的裝置，其特征在于，DC/AC轉(zhuǎn)換器(2)的橋式電路是自時(shí)鐘的。
10.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，儲(chǔ)能器(DLC)、整流器(3)、耦合電容器(CK1至CKn、CK1a至CKnb)和AC總線(4、4.1、4.2)集成在公有殼體中。
11.用于運(yùn)行如權(quán)利要求1所述的裝置的方法，其特征在于，由儲(chǔ)能器(DLC)或者另外的能源(B)饋電的DC/DC轉(zhuǎn)換器(1)向中間回路電容器(CZ)輸送電流，由此在所述中間回路電容器上單獨(dú)地出現(xiàn)電壓(UCZ)以對(duì)單元(Z1至Zn)充電，并且DC/AC轉(zhuǎn)換器(2)對(duì)該電壓(UCZ)進(jìn)行逆變并且經(jīng)由所述一個(gè)或者多個(gè)AC總線(4、4.1、4.2)、所分配的耦合電容器(CK1至CKn、CK1a至CKnd)和整流器(3)的二極管(D1a至Dnd)向具有最低單元電壓(UZx)的單元(Zx)輸送經(jīng)整流的脈動(dòng)充電電流。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，在單相DC/AC轉(zhuǎn)換器(2)的情況下對(duì)于具有最低單元電壓(UZx)的單元(Zx，x＝1至n)的充電電流在正相位中從中間回路電容器(CZ)經(jīng)由導(dǎo)通的第一晶體管(T1)、AC總線(4)、耦合電容器(CKx)、二極管(Dxa)流向單元(Zx)，并且從那里經(jīng)由其正端子與要充電的單元(Zx)的正端子相比具有對(duì)基準(zhǔn)電位(GND)更低的電位的所有單元(Zx+1至Zn)并且經(jīng)由基準(zhǔn)電位(GND)流回中間回路電容器(CZ)，并且在接下來的負(fù)相位中沿相反的方向從現(xiàn)在導(dǎo)通的第二晶體管(T2)通過其正端子與要充電的單元(Zx)的正端子相比具有對(duì)基準(zhǔn)電位(GND)更低的電位的單元(Zn至Zx+1)、二極管(Dxb)、耦合電容器(CKx)和AC總線(4)流回第二晶體管(T2)。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，在多相DC/AC轉(zhuǎn)換器(2)的情況下對(duì)于具有最低單元電壓(UZx)的單元(Zx，其中x＝1至n)的充電電流在第一相位中從中間回路電容器(CZ)經(jīng)由第一晶體管(T1)、第一AC總線(4.1)、耦合電容器(CKxa)和二極管(Dxa)流過單元(Zx)，并且經(jīng)由二極管(Dxd)、耦合電容器(CKxb)、第二AC總線(4.2)和第四晶體管(T4)流回中間回路電容器(CZ)，并且在第二相位中從中間回路電容器(CZ)經(jīng)由第三晶體管(T3)、AC總線(4.2)、耦合電容器(CKxb)和二極管(Dxc)流過單元(Zx)并且經(jīng)由二極管(Dxb)、耦合電容器(CKxa)、AC總線(4.1)、和第二晶體管(T2)流回中間回路電容器(CZ)。
全文摘要
本文公開了用于對(duì)儲(chǔ)能器的串聯(lián)布置的單個(gè)單元進(jìn)行電荷補(bǔ)償?shù)难b置和方法，具有DC/DC轉(zhuǎn)換器，所述DC/DC轉(zhuǎn)換器從所述儲(chǔ)能器或者另外的能源取出電能，利用所述能量給中間回路電容器充電，將其電壓在DC/AC轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行逆變，并且把該交流電壓經(jīng)由AC總線和耦合電容器借助于整流器轉(zhuǎn)換成脈動(dòng)直流電流并且用該脈動(dòng)直流電流給具有最低單元電壓的單元充電。
文檔編號(hào)H02M3/335GK1977438SQ200580021642
公開日2007年6月6日 申請(qǐng)日期2005年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月28日
發(fā)明者S·博爾茨, M·戈特詹博杰, R·克諾爾, G·盧格特 申請(qǐng)人:西門子公司