статический преобразователь частоты и подмодуль статического преобразователя частоты для зарядки или разрядки накопителя энергии

Формула изобретения

1. Подмодуль (13) для зарядки или разрядки накопителя (22) энергии с конденсаторным блоком (14) и схемой (15) силовых полупроводниковых приборов, содержащей подключаемые и отключаемые силовые полупроводниковые приборы (16, 17), причем конденсаторный блок (14) и схема (15) силовых полупроводниковых приборов соединены друг с другом таким образом, что в зависимости от управления силовыми полупроводниковыми приборами (16, 17) на выходных зажимах (19, 20) подмодуля (1) формируется напряжение, падающее на конденсаторе, или нулевое напряжение, отличающийся тем, что накопитель (22) энергии подсоединяется к подмодулю (13) через стабилизатор (21) постоянного напряжения, причем стабилизатор (21) постоянного напряжения соединен с упомянутым конденсаторным блоком (14) подмодуля (13) и оборудован для преобразования напряжения (U_c) конденсатора, падающего на конденсаторном блоке (14), в зарядное напряжение, необходимое для зарядки накопителя (22) энергии, а также для преобразования разрядного напряжения (E_L), падающего при разряде на накопителе (22) энергии, в напряжение (U_c) конденсатора.

2. Подмодуль (13) по п.1, отличающийся тем, что стабилизатор (21) постоянного напряжения включен параллельно конденсаторному блоку (14).

3. Подмодуль (13) по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве накопителя энергии подключен аккумулятор (22).

4. Подмодуль (13) по п.3, отличающийся тем, что аккумулятор является химическим аккумулятором (22).

5. Подмодуль (13) по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что схема (15) силовых полупроводниковых приборов и конденсаторный блок (14) включены друг с другом по полной мостовой схеме, причем предусмотрены четыре отключаемых силовых полупроводниковых прибора (16, 17), параллельно которым встречно включены соответствующие безынерционные диоды (18).

6. Подмодуль (13) по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что схема (15) силовых полупроводниковых приборов и конденсаторный блок (14) образуют полумостовую схему, содержащую два отключаемых силовых полупроводниковых прибора (16, 17), параллельно которым встречно включены соответствующие безынерционные диоды (18).

7. Подмодуль (13) по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что стабилизатор (21) постоянного напряжения содержит блок (23) регулирования, оснащенный измерительными датчиками (25) для регистрации напряжения (U_L) заряда или разряда, падающего на накопителе (22) энергии, и напряжения (U_c) на конденсаторе, падающего на конденсаторном блоке (14), причем блок (23) регулирования выполнен для установки напряжения (U_L) заряда и/или разряда в зависимости по меньшей мере от одного заданного значения.

8. Подмодуль (13) по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что стабилизатор (21) постоянного тока является повышающим или понижающим стабилизатором.

9. Подмодуль (13) по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что имеет два соединительных зажима.

10. Статический преобразователь (1) частоты с вентилями (2, 3, 4, 5, 6, 7), содержащими последовательную схему подмодулей (13) согласно одному из пп.1-9.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к подмодулю для зарядки или разрядки накопителя энергии с конденсаторным блоком и схемой силовых полупроводниковых приборов, содержащей подключаемые и отключаемые силовые полупроводниковые приборы, причем конденсаторный блок и схема силовых полупроводниковых приборов соединены друг с другом таким образом, что в зависимости от управления силовыми полупроводниковыми приборами на выходных зажимах подмодуля формируется напряжение, падающее на конденсаторе, или нулевое напряжение.

Кроме того, изобретение относится к статическому преобразователю частоты с вентилями статического преобразователя частоты, содержащими последовательную схему таких подмодулей.

Такой подмодуль и такой статический преобразователь частоты уже известны из DE 10103031. Описанный там статический преобразователь частоты располагает вентилями статического преобразователя частоты, образующими мостовую схему. При этом каждый вентиль статического преобразователя частоты располагается между выводом переменного напряжения для соединения статического преобразователя частоты с сетью переменного напряжения и выводом постоянного напряжения. Каждый вентиль располагает последовательной схемой биполярных подмодулей, содержащих соответствующий конденсаторный блок, включенный параллельно схеме силовых полупроводниковых приборов. Оба соединительных зажима каждого подмодуля, с одной стороны, соединены с конденсаторным блоком, а, с другой - с точкой потенциала между обоими силовыми полупроводниковыми переключателями, параллельно каждому из которых встречно включен безынерционный диод. Таким образом, на обоих соединительных зажимах каждого подмодуля может формироваться или нулевое напряжение, или же напряжение конденсатора, падающее на конденсаторном блоке. Таким образом, создается так называемый многоступенчатый статический преобразователь частоты, подающий постоянное напряжение.

DE 102007051052 описывает способ зарядки вновь заряжаемых литиевых аккумуляторов. При этом переменное напряжение в области низких напряжений соединяется с коммутационным блоком питания от сети, выдающим на выходе постоянное напряжение для зарядки аккумулятора.

Другое зарядное устройство для зарядки аккумулятора известно из DE 19913627 А1.

При зарядке большого количества накопителей энергии электрической энергией возникает множество проблем. Сначала электрическое зарядное устройство следует согласовать с заряжаемым накопителем энергии. Однако разные накопители энергии, как правило, требуют разных зарядных напряжений или токов. В частности, с точки зрения срока службы накопителя энергии имеет смысл ориентировать процесс зарядки или разрядки в отношении параметров зарядки на потребности соответствующего накопителя энергии. Кроме того, устройство для зарядки или разрядки накопителя энергии должно было бы быть недорогим.

Поэтому задачей изобретения является создание подмодуля и статического преобразователя частоты вышеупомянутого типа, обеспечивающих индивидуальное согласование процесса зарядки и, кроме того, недорогостоящих.

Изобретение решает эту задачу за счет того, что накопитель энергии подсоединяется к подмодулю через стабилизатор постоянного напряжения, причем стабилизатор постоянного напряжения соединен с конденсаторным блоком и оборудован для преобразования напряжения конденсатора, падающего на конденсаторе, в зарядное напряжение, необходимое для зарядки накопителя энергии, а также для преобразования разрядного напряжения, падающего при разряде на накопителе энергии, в напряжение конденсатора.

Исходя из вышеупомянутого статического преобразователя частоты изобретение решает задачу за счет того, что предусмотрены вентили статического преобразователя частоты, состоящие по меньшей мере частично из последовательной схемы таких подмодулей.

Согласно изобретению для зарядки внешних накопителей энергии используется по меньшей мере один подмодуль модульного многоступенчатого статического преобразователя частоты. Для индивидуального выбора напряжения, необходимого при зарядке или разрядке накопителя энергии, предусмотрен так называемый стабилизатор постоянного напряжения, преобразующий напряжение, падающее в конденсаторе, в необходимое зарядное или разрядное напряжение, соответственно. Это имеет то преимущество, что напряжение, падающее на конденсаторах подмодулей, в самой значительной степени может удерживаться постоянным для всех подмодулей. Согласование с соответствующим накопителем энергии осуществляется с помощью стабилизатора постоянного напряжения. Напряжение, падающее на конденсаторном блоке подмодуля, с помощью отключаемых силовых полупроводниковых приборов схемы силовых полупроводниковых приборов может выбираться таким образом, чтобы оно располагалось примерно в области напряжений заряда или разряда стандартных накопителей энергии. Порядок напряжения на конденсаторе для зарядки аккумуляторов электромобилей составляет около 10 В. Поэтому стабилизатор постоянного напряжения при преобразовании постоянных напряжений не должен обнаруживать никаких больших различий напряжения, так что требования к стабилизатору постоянного напряжения являются невысокими, благодаря чему последний стоит недорого. Кроме того, невысокими удерживаются также потери стабилизатора постоянного напряжения, возникающие при преобразовании постоянного напряжения.

Предпочтительным образом стабилизатор постоянного напряжения включен параллельно конденсаторному блоку.

Целесообразным образом в качестве накопителя энергии предусмотрен аккумулятор. Аккумуляторами являются химические накопители, в которых электроэнергия преобразуется в химически связанную энергию. Такие аккумуляторы пользуются большой известностью, так что здесь их подробная характеристика может быть опущена. В принципе в рамках изобретения могут быть использованы любые аккумуляторы. В качестве стандартных аккумуляторов здесь можно назвать литиево-ионные или никель-кадмиевые аккумуляторы. Само собой разумеется, что с помощью устройства согласно изобретению или подмодуля согласно изобретению можно будет заряжать также воздушно-литиевые накопители энергии, намеченные лишь на будущее.

Предпочтительным образом схема силовых полупроводниковых приборов и конденсаторный блок включены друг с другом по полной мостовой схеме, причем предусмотрены четыре отключаемых силовых полупроводниковых прибора, параллельно которым встречно включены соответствующие безынерционные диоды. Такие полные мостовые схемы уже используются в качестве статических преобразователей частоты или переменных источников напряжения в области передачи и распределения энергии. С помощью полной мостовой схемы на выходных зажимах каждого подмодуля наряду с нулевым напряжением и напряжением конденсатора можно получать обратное напряжение конденсатора.

В отличие от этого схемы силовых полупроводниковых приборов и конденсаторный блок образуют полумостовую схему, содержащую два подключаемых и отключаемых силовых полупроводниковых прибора, параллельно которым встречно включены соответствующие безынерционные диоды. Кроме того, подмодуль целесообразным образом располагает двумя соединительными зажимами, причем один соединительный зажим соединен с конденсаторным блоком, а другой соединительный зажим - с точкой потенциала между обоими управляемыми силовыми полупроводниковыми приборами. Вместо встречного параллельного включения безынерционного диода относительно силового полупроводникового прибора в рамках изобретения возможно также использование силовых полупроводниковых переключателей, проводящих в обратном направлении.

Целесообразным образом стабилизатор постоянного напряжения располагает блоком регулирования, оснащенным измерительными датчиками для регистрации напряжения заряда или разряда, падающего на накопителе энергии, и напряжения на конденсаторе, падающего на конденсаторном блоке, причем блок регулирования оборудован для установки напряжения заряда и/или разряда в зависимости по меньшей мере от одного заданного значения. Определение заданного или заданных значений может осуществляться, например, пользователем. Однако в отличие от этого блок регулирования стабилизатора постоянного напряжения можно также соединять с блоком распознавания накопителя энергии. Блок распознавания накопителя энергии считывает, например, в блоке памяти накопителя энергии, соответствующий тип и соответствующее необходимое зарядное или разрядное напряжение и передает его в качестве заданного значения в блок регулирования стабилизатора постоянного напряжения. Затем последний устанавливает на выходе желательное разрядное или зарядное напряжение, так что зарядка или разрядка накопителя энергии могут осуществляться с максимальной отдачей.

Стабилизатором постоянного напряжения является, например, повышающий или понижающий стабилизатор.

Кроме того, целесообразно, чтобы подмодуль был биполярным модулем и имел два соединительных зажима.

Другие целесообразные варианты выполнения и преимущества изобретения являются предметом нижеследующего описания примеров выполнения изобретения со ссылкой на фигуры с чертежами, причем одинаковые позиции указывают на одинаково действующие детали и причем:

Фиг.1 показывает схематически пример выполнения подмодуля согласно изобретению и статического преобразователя частоты согласно изобретению, а

Фиг.2 - подмодуль статического преобразователя частоты на фиг.1 более точно.

На фиг.1 схематически изображен статический преобразователь 1 частоты, состоящий из мостовой схемы с силовыми полупроводниковыми вентилями 2, 3, 4, 5, 6 и 7, причем каждый из указанных силовых полупроводниковых вентилей располагается между выводом 8 переменного напряжения и положительным выводом 9 постоянного напряжения или отрицательным выводом 10 постоянного напряжения. Кроме того, каждый силовой полупроводниковый вентиль 2, 3, 4, 5, 6 и 7 содержит токоограничивающий дроссель 11. На фиг.1 лишь схематично показано, что каждый вывод 8 переменного напряжения статического преобразователя напряжения соединен с соединительными средствами 12 для соединения с сетью переменного напряжения. Обычно это осуществляется посредством трансформатора или же гальванически с помощью дросселей или катушек, включенных между выводами 8 переменного напряжения и сетью переменного напряжения, не показанной на фиг.1.

Кроме того, можно заметить, что каждый из силовых полупроводниковых вентилей 2, 3, 4, 5, 6 и 7 содержит последовательную схему биполярных подмодулей 13, которые все имеют идентичную структуру. Поэтому в правой половине фиг.1 более точно изображен лишь один подмодуль 13. Видно, что каждый подмодуль 13 располагает конденсаторным блоком 14 и схемой 15 силовых полупроводниковых приборов, расположенной параллельно конденсаторному блоку 14. Схема 15 силовых полупроводниковых приборов содержит два силовых полупроводниковых прибора 16 и 17, которые могут как включаться, так и отключаться. Такими силовыми полупроводниковыми приборами являются, например, так называемые IGBT (биполярные транзисторы с изолированным затвором), GTO (тиристоры с отключенным затвором), Х-FET (полевые транзисторы Х), IGCT (тиристоры с интегрированным управлением) и т.п. В принципе в рамках изобретения может использоваться любой отключаемый силовой полупроводниковый прибор. Каждому из этих управляемых силовых полупроводниковых приборов встречно параллельно подключен безынерционный диод 18. Кроме того, первый соединительный зажим 19 гальванически соединен с конденсаторным блоком 14. Второй соединительный зажим 20 подсоединен к точке потенциала между силовыми полупроводниковыми приборами 16 и 17. При работе статического преобразователя 1 частоты на конденсаторном блоке 14 падает напряжение U_c конденсатора.

Как уже говорилось выше, каждый из силовых полупроводниковых приборов 16 или 17 из положения прерывания, в котором ток через соответствующий силовой полупроводниковый прибор прерван, может быть переключен в свое положение пропускания, в котором прохождение тока через силовой полупроводниковый прибор обеспечено в направлении пропускания или наоборот. Если силовые полупроводниковые приборы 16 и 17 управляются, например, таким образом, что силовой полупроводниковый прибор 17 находится в своем положении прерывания, а силовой полупроводниковый прибор 16 в своем положении пропускания, то на выходных зажимах 19 и 20 падает напряжение U_c конденсатора. Если же силовой полупроводниковый прибор 17 находится в своем положении пропускания, а силовой полупроводниковый прибор 16 в своем положении прерывания, на выходных зажимах 19 и 20 падает нулевое напряжение. Таким образом, к выходным зажимам 19 и 20 может быть приложено либо напряжение U_c конденсатора либо нулевое напряжение.

Кроме того, видно, что конденсаторный блок 14 включен параллельно стабилизатору 21 постоянного напряжения. Выход стабилизатора 21 постоянного напряжения соединен с накопителем 22 энергии, который в примере выполнения, изображенном на фиг.1, является литиево-ионным аккумулятором.

В схематичном изображении на фиг.1 не показано, что каждый силовой полупроводниковый прибор 16, 17 соединен с блоком регулирования и защиты статического преобразователя частоты, с помощью которого по существу устанавливается падение напряжения конденсатора на каждом конденсаторном блоке.

На фиг.2 подмодуль статического преобразователя 1 частоты согласно фиг.1 изображен более точно. Можно заметить, что стабилизатор 21 постоянного напряжения содержит блок 23 регулирования, соединенный линией 24 сигнализации с датчиками 25 напряжения, специально оборудованными для регистрации напряжение U_c конденсатора или для регистрации напряжения U_L заряда-разряда, соответственно. Стабилизатор 21 постоянного напряжения оборудован для преобразования напряжения U_c конденсатора в напряжение U_L заряда, когда аккумулятор 22 должен заряжаться. При разряде аккумулятора 22 стабилизатор 21 постоянного напряжения, наоборот, преобразует напряжение U_L разряда в напряжение U_c конденсатора, так что поток энергии через стабилизатор 21 постоянного напряжения обеспечивается в обоих направлениях. Блок регулирования стабилизатора 21 постоянного напряжения соединен с блоком управления более высокого уровня, который можно охарактеризовать, например, как так называемую «систему управления аккумуляторной батареей» 26. Вышестоящая система управления аккумуляторной батареей 26 передает в блок 23 регулирования, например, желательные заданные значения, как-то: зарядные токи и т.п. До и во время процесса зарядки блок 23 регулирования предоставляет в систему 26 управления аккумуляторной батареей определенные параметры состояния, с помощью которых системой управления аккумуляторной батареей может быть рассчитан в динамике оптимальный зарядный ток.

Как показано на фиг.2 стрелками, система 26 управления аккумуляторной батареей может быть соединена с другими блоками управления любыми способами.