Энергоаккумулирующее устройство и способ эксплуатации указанного энергоаккумулирующего устройства - RU2737871C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к энергоаккумулирующему устройству, содержащему энергоаккумулятор, преобразователь и промежуточный контур источника энергоснабжения, причем энергоаккумулятор подключается через преобразователь к промежуточному контуру, причем преобразователь содержит опорную емкость и одну или несколько включенных параллельно опорной емкости, управляемых цепей, и причем к каждой цепи преобразователя подключен отвод фазы преобразователя. Кроме того, изобретение относится к способу эксплуатации такого энергоаккумулирующего устройства.

Транспортное средство с электроприводом, например, поезд, трамвай или автобус, постоянно или временно соединен с источником энергоснабжения, например, сетью энергоснабжения. Транспортное средство может располагать далее мобильным энергоаккумулятором, который заряжается от сети энергоснабжения и временно накапливает электроэнергию. Эта накопленная энергия может использоваться для привода транспортного средства (тяга). В этом случае энергоаккумулятор образует так называемую тяговую аккумуляторную батарею.

Нередко возникает требование того, чтобы такое транспортное средство было выполнено в виде так называемого многосистемного транспортного средства, т.е. для эксплуатации с разными источниками энергоснабжения. Здесь рассматриваются, например, на выбор сеть переменного тока напряжением 25 кВ и сеть постоянного тока напряжением 750 В. Для эксплуатации от сети переменного тока напряжением 25 кВ может быть предусмотрена эксплуатация энергоаккумулятора через DC/DC-преобразователь. Последний подключается к промежуточному контуру транспортного средства, который питается от выпрямительного устройства (например, четырехквадрантного преобразователя, 4QS). В случае эксплуатации от сети постоянного тока напряжением 750 В зарядка энергоаккумулятора невозможна без дополнительных затрат. Сеть постоянного тока напряжением 750 В имеет, в принципе, большую вариацию напряжения. Прямая связь энергоаккумулятора с промежуточным контуром, тем самым, почти невозможна. Следовательно, при такой эксплуатации должен использоваться преобразователь, чтобы преобразовать уровень напряжения постоянного тока транспортного средства (сеть постоянного тока напряжением 750 В) до уровня напряжения энергоаккумулятора.

По причинам энергоресурса и токовой нагрузки также предпочтительно, если напряжение на энергоаккумуляторе выше обычного напряжения сети. Однако это не позволяет решить проблему эксплуатации от сети переменного тока напряжением 25 кВ и сети постоянного тока напряжением 750 В.

Использование преобразователя, в частности для эксплуатации от сети постоянного тока напряжением 750 В, имеет к тому же тот недостаток, что напряжение на энергоаккумуляторе при понижении должно быть ниже наименьшего напряжения сети или напряжения на промежуточном контуре, а при повышении – выше наибольшего напряжения сети или напряжения на промежуточном контуре, с тем чтобы обеспечить надежную связь энергоаккумулятора. Есть также решения с несколькими повышающими и понижающими преобразователями, которые в зависимости от требования соответственно повышают и понижают напряжение на энергоаккумуляторе. Однако эти решения требуют сравнительно больших затрат на аппаратное обеспечение, большого конструктивного пространства и дорогостоящи.

Задача изобретения заключается в гибкой эксплуатации энергоаккумулирующего устройства с сетями любых или меняющихся напряжений при максимально небольших дополнительных затратах на аппаратное обеспечение.

Согласно первому аспекту, эта задача решается посредством энергоаккумулирующего устройства по п. 1 формулы. Другие варианты осуществления изобретения раскрыты в соответствующих зависимых пунктах формулы.

Энергоаккумулирующее устройство содержит энергоаккумулятор, преобразователь и промежуточный контур источника энергоснабжения. Энергоаккумулятор подключается через преобразователь к промежуточному контуру, причем преобразователь содержит опорную емкость и одну или несколько включенных параллельно опорной емкости, управляемых цепей. К каждой цепи преобразователя подключен отвод фазы преобразователя. Энергоаккумулятор соединен, по меньшей мере, с одной первой фазой преобразователя. Промежуточный контур соединен со второй фазой преобразователя, которая отличается от первой фазы преобразователя.

У такого энергоаккумулирующего устройства подключение промежуточного контура к фазе преобразователя происходит вместо входной стороны преобразователя, т.е. вместо схемы параллельно опорной емкости (например, опорного конденсатора) преобразователя. Таким образом, напряжение на опорной емкости преобразователя может быть развязано от напряжения на промежуточном контуре. Это значит, что напряжение на опорной емкости больше необязательно соответствует напряжению на промежуточном контуре, а может принимать другие значения. Опорная емкость преобразователя, например, посредством второй фазы преобразователя, с которой связан промежуточный контур, может быть повышена до напряжения, лежащего выше напряжения на промежуточном контуре. Напряжение на опорной емкости преобразователя может лежать предпочтительно также выше напряжения на энергоаккумуляторе. Так, энергоаккумулятор можно заряжать до сравнительно высокого напряжения, лежащего выше самого низкого напряжения на промежуточном контуре, и, тем не менее, простым образом предотвратить, чтобы энергоаккумулятор мог непроизвольно разрядиться в промежуточный контур.

Описанное энергоаккумулирующее устройство обеспечивает к тому же регулирование напряжения на опорной емкости преобразователя независимо от поведения промежуточного контура. Таким образом, энергоаккумулирующее устройство может эксплуатироваться независимо и с развязкой от вариации напряжения промежуточного контура. Далее напряжение на энергоаккумуляторе может гибко устанавливаться. Напряжение на энергоаккумуляторе может устанавливаться, в частности, в диапазоне значений выше наименьшего напряжения на промежуточном контуре и ниже самого высокого напряжения на нем. Это обеспечивает настройку энергоаккумулятора с высоким напряжением или зарядом (большой энергоресурс) и одновременно малой токовой нагрузкой.

Таким образом, энергоаккумулирующее устройство обеспечивает гибкое приспосабливание/регулирование напряжения на опорной емкости преобразователя в зависимости от требования устанавливаемого напряжения на энергоаккумуляторе для его зарядки/разрядки, причем требуется лишь преобразователь, по меньшей мере, с двумя фазами. Следовательно, в этом решении затраты на аппаратное обеспечение минимальны. Тем не менее, энергоаккумулирующее устройство может гибко эксплуатироваться с сетями любых или изменяющихся напряжений. Одной возможностью является, например, применение в многосистемном транспортном средстве, выполненном для эксплуатации с разными источниками энергоснабжения, например от сети переменного тока напряжением 25 кВ с напряжением промежуточного контура > 750 В и от сети постоянного тока напряжением 750 В.

В различных вариантах энергоаккумулирующего устройства между энергоаккумулятором и первой фазой преобразователя включен первый дроссель преобразователя, причем между промежуточным контуром и второй фазой преобразователя включен второй дроссель преобразователя. Дроссели преобразователя служат для реализации функции повышающего/понижающего преобразователя на его соответствующих фазах. Второй дроссель преобразователя может быть реализован, например, дросселем так и так необходимого сетевого фильтра, включенного между промежуточным контуром и преобразователем. Следовательно, не требуется никакого отдельного дросселя преобразователя, что дополнительно снижает затраты на аппаратное обеспечение.

В различных вариантах энергоаккумулирующего устройства связанная через первую фазу преобразователя с энергоаккумулятором цепь преобразователя может управляться в качестве понижающего преобразовательного блока между преобразователем и энергоаккумулятором. Таким образом, сравнительно более высокое напряжение на опорной емкости преобразователя может быть понижено до более низкого напряжения на промежуточном контуре (например, для зарядки энергоаккумулятора). Связанная через первую фазу преобразователя с энергоаккумулятором цепь преобразователя может управляться также во встречном направлении потока энергии в качестве повышающего преобразовательного блока между энергоаккумулятором и преобразователем (например, для разрядки энергоаккумулятора при более низком напряжении на нем по сравнению с более высоким напряжением на опорной емкости преобразователя).

В различных вариантах энергоаккумулирующего устройства связанная через вторую фазу преобразователя с промежуточным контуром цепь преобразователя может управляться в качестве повышающего преобразовательного блока между промежуточным контуром и преобразователем (например, в процессе зарядки энергоаккумулятора). Таким образом, опорная емкость преобразователя может быть повышена до сравнительно более высокого напряжения, лежащего выше напряжения на промежуточном контуре. Связанная через вторую фазу преобразователя с промежуточным контуром цепь преобразователя может управляться также во встречном направлении потока энергии в качестве понижающего преобразовательного блока между преобразователем и промежуточным контуром (например, в процессе разрядки энергоаккумулятора).

За счет комбинированной реализации связанной через первую фазу преобразователя с энергоаккумулятором цепи преобразователя в качестве понижающего преобразовательного блока в направлении энергоаккумулятора и связанной через вторую фазу преобразователя с промежуточным контуром цепи преобразователя в качестве повышающего преобразовательного блока в направлении опорной емкости можно устанавливать напряжение на опорной емкости, которое в зависимости от требования (зарядка/разрядка энергоаккумулятора) равно или выше напряжения на промежуточном контуре или равно или выше напряжения на энергоаккумуляторе. Таким образом, напряжение на энергоаккумуляторе может быть установлено выше самого низкого напряжения на промежуточном контуре и ниже самого высокого напряжения на нем. В этом диапазоне значений напряжение на промежуточном контуре в зависимости от управления фазами преобразователя можно устанавливать гибко.

В различных вариантах энергоаккумулирующего устройства преобразователь реализован выпрямительным блоком для выпрямления переменного напряжения в постоянное напряжение на промежуточном контуре. Отдельного преобразователя тогда не требуется. Выпрямительным блоком является, например, четырехквадрантным преобразователем (4QS) на входе промежуточного контура. Таким образом, коммутационные элементы (например, силовые транзисторы) и выпрямительные элементы (например, диоды), включенные в виде пар (параллельная схема) в различных коммутационных цепях внутри выпрямительного блока, могут использоваться простым образом в качестве преобразовательных блоков преобразователя. Это может происходить тогда, когда выпрямительный блок не используется для выпрямления переменного напряжения в постоянное напряжение на промежуточном контуре. В частности, при использовании 4QS топология включения коммутационных и выпрямительных элементов соответствует топологии отдельных цепей преобразователя, так что 4QS может использоваться очень просто в качестве преобразователя описанного рода. При эксплуатации от сети постоянного тока напряжением 750 В 4QS не используется. Таким образом, 4QS, при необходимости, с использованием специального программного обеспечения, может использоваться для эксплуатации от сети постоянного тока напряжением 750 В в качестве преобразователя описанного рода. Например, может происходить переключение управляющего программного обеспечения 4QS для его эксплуатации от сети переменного тока напряжением 25 кВ и эксплуатации преобразователя от сети постоянного тока напряжением 750 В. Таким образом, затраты на аппаратное обеспечение для реализации описанного энергоаккумулирующего устройства можно резко сократить, если 4QS использовать в качестве преобразователя. Отдельного преобразователя тогда не требуется.

В вариантах, в которых выпрямительный блок используется в качестве преобразователя описанного рода, затраты на аппаратное обеспечение можно дополнительно сократить, если перед выпрямительным блоком включен трансформатор для трансформации переменного напряжения на первичной стороне в переменное напряжение на вторичной стороне. В этом случае вторичная обмотка трансформатора может использоваться в качестве дросселя преобразователя. В частности, при использовании 4QS использование вторичной обмотки трансформатора в качестве дросселя преобразователя реализуется просто. Вторичная обмотка трансформатора соединена своими выводами с плечом моста 4QS, так что на 4QS могут устанавливаться различные коммутационные цепи, чтобы во взаимодействии с вторичной обмоткой трансформатора реализовать функциональность повышающего или понижающего преобразователя.

В различных вариантах энергоаккумулирующее устройство содержит регулятор заряда, имплементированный для регулирования фактического значения тока энергоаккумулятора до заданного значения тока на нем. За счет регулятора заряда может задаваться заданное значение напряжения, в частности заданное значение напряжения на опорной емкости преобразователя. За счет регулятора заряда преобразователь может регулироваться для зарядки/разрядки энергоаккумулятора.

Как известно, преобразователь за счет периодов коммутации управляемых коммутационных средств вызывает периодическое повышение и понижение тока. Это значит, что зарядный/разрядный ток энергоаккумулятора содержит, помимо нужной доли постоянного тока, ненужную долю переменного тока, которая нагружает энергоаккумулятор. Кроме того, известно, что доля переменного тока зависит от степени модуляции преобразователя, т.е. от разности напряжений между энергоаккумулятором и промежуточным контуром. За счет умелого выбора и регулирования напряжений посредством описанной концепции регулирования можно минимизировать нагрузку на преобразователь и энергоаккумулятор долями переменного тока зарядного/разрядного тока.

В одной имплементации концепции регулирования, например, связанной через первую фазу преобразователя с энергоаккумулятором цепью преобразователя (например, управляемые коммутационные средства в цепи преобразователя) можно управлять с помощью регулятора заряда, чтобы установить на энергоаккумуляторе нужный зарядный или разрядный ток. Чтобы минимизировать долю переменного тока в зарядном/разрядном токе, напряжение на опорной емкости преобразователя устанавливается посредством связанной через вторую фазу преобразователя с промежуточным контуром цепи преобразователя, в отличие от обычных номинальных значений, на напряжение, которое лишь незначительно (например, на 20%, преимущественно на 10%, преимущественно на 5%, преимущественно на 2%) выше напряжения на энергоаккумуляторе. Регулирование зарядного/разрядного тока на первой фазе преобразователя приводит тогда к тому, что должны устанавливаться очень высокие степени модуляции (например, более 95%), что заметно уменьшает или минимизирует долю переменного тока.

В одной альтернативной имплементации концепции регулирования как бы в качестве частного случая (предельного случая) принцип регулирования инвертируется. Это значит, что модуляция связанной через первую фазу преобразователя с энергоаккумулятором цепи преобразователя устанавливается твердо на 100%. Таким образом, в энергоаккумулятор больше не течет никакой доли переменного тока в зарядном/разрядном токе и не течет из него. Пульсации тока за счет коммутации коммутационных средств внутри связанной через вторую фазу преобразователя с промежуточным контуром цепи преобразователя посредством опорной емкости развязываются от энергоаккумулятора или сглаживаются. Следовательно, последний может эксплуатироваться очень щадящим образом. Чтобы при таком регулировании устанавливался, тем не менее, нужный зарядный/разрядный ток, здесь описана новая концепция регулирования для второй фазы преобразователя, соединенной с промежуточным контуром.

Регулятор заряда (например, обычный ПИ-регулятор) измеряет отклонение между заданным и фактическим токами на энергоаккумуляторе и в соответствии с этим подстраивает напряжение на опорной емкости преобразователя за счет управления коммутационными средствами в цепи второй фазы преобразователя (связанной с промежуточным контуром). Более высокие напряжения приводят к (бóльшим) зарядным токам, а меньшие напряжения – к (бóльшим) разрядным токам соответственно без доли переменного тока в зарядном/разрядном токе. Опционально регулирование получает напряжение батареи в качестве предуправляющей величины.

Регулятор заряда должен переводить свой сигнал заданного значения напряжения так, чтобы та цепь преобразователя, к которой подключен промежуточный контур, соответственно модулировалась. Для этого энергоаккумулирующее устройство может содержать дополнительный регулятор напряжения, имплементированный для регулирования фактического значения напряжения на опорной емкости до заданного регулятором заряда заданного значения напряжения на опорной емкости. За счет регулятора напряжения можно задавать заданное значение тока на второй фазе преобразователя. Далее энергоаккумулирующее устройство может содержать регулятор тока, имплементированный для регулирования фактического значения тока на второй фазе преобразователя до заданного регулятором напряжения заданного значения тока на второй фазе преобразователя. За счет регулятора тока можно задавать управляющий сигнал для управления цепью преобразователя, связанной через вторую фазу преобразователя с промежуточным контуром.

В этой имплементации концепции регулирования вместо регулирования цепи преобразователя энергоаккумулятора может происходить ее полная модуляция. При этом регулирования зарядного/разрядного тока происходит не за счет регулирования цепи преобразователя энергоаккумулятора, а за счет регулирования напряжения на опорной емкости посредством цепи преобразователя промежуточного контура. За счет установления напряжения на опорной емкости можно установить определенный зарядный/разрядный ток.

Описанные имплементации концепции регулирования позволяют поддерживать минимальной нежелательную нагрузку энергоаккумулятора переменным током (если напряжение на опорном конденсаторе регулируется, например, через напряжение на энергоаккумуляторе) или уменьшить полностью до нуля (если напряжение на опорном конденсаторе уравнивается непосредственно с напряжением на энергоаккумуляторе).

Согласно другому аспекту изобретения, поставленная задача решается посредством способа эксплуатации энергоаккумулирующего устройства описанного выше рода по п. 9 формулы. Имплементации раскрыты в соответствующих зависимых пунктах. В этом способе энергоаккумулятор подключен через преобразователь к промежуточному контуру источника энергоснабжения. Связанная через вторую фазу преобразователя с промежуточным контуром цепь преобразователя управляется в качестве повышающего преобразователя, так что на опорной емкости падает напряжение, которое равно или больше напряжения на промежуточном контуре. При этом связанная через вторую фазу преобразователя с промежуточным контуром цепь преобразователя может управляться таким образом, что на опорной емкости падает напряжение, которое равно или больше напряжения на энергоаккумуляторе.

В различных имплементациях способа связанная через первую фазу преобразователя с энергоаккумулятором цепь преобразователя полностью модулируется (100%-ная модуляция).

Также таким способом достигаются преимущества, описанные выше в связи с энергоаккумулирующим устройством.

Изобретение более подробно поясняется ниже с помощью нескольких чертежей, на которых представлено следующее:

- фиг. 1: вариант энергоаккумулирующего устройства из уровня техники, подключенного к разным источникам энергоснабжения;

- фиг. 2: вариант энергоаккумулирующего устройства из уровня техники, подключенного к разным источникам энергоснабжения;

- фиг. 3: первая часть концепции регулирования энергоаккумулирующего устройства из фиг. 2;

- фиг. 4: вторая часть концепции регулирования энергоаккумулирующего устройства из фиг. 2;

- фиг. 5: третья часть концепции регулирования энергоаккумулирующего устройства из фиг. 2;

- фиг. 6: четвертая часть концепции регулирования энергоаккумулирующего устройства из фиг. 2.

На фиг. 1 изображен вариант энергоаккумулирующего устройства 1 из уровня техники, подключенного к разным источникам 13, 14 энергоснабжения. Энергоаккумулирующее устройство 1 содержит энергоаккумулятор 2, преобразователь 3 и промежуточный контур 4. Последний может питаться как от сети 13 постоянного тока, так и от сети 14 переменного тока. Сетью 13 постоянного тока в примере на фиг. 1 является сеть постоянного тока напряжением 750 В. Сетью 14 переменного тока в примере на фиг. 1 является сеть переменного тока напряжением 25 кВ. Переменное напряжение сети 14 переменного тока может трансформироваться трансформатором 15 и с помощью выпрямительного блока 16 на входной стороне промежуточного контура 4 преобразовываться в постоянное напряжение U_ZK на промежуточном контуре 4. В примере на фиг. 1 выпрямительным блоком 16 является четырехквадрантный преобразователь (4QS). В случае питания промежуточного контура 4 от сети 13 постоянного тока последняя может быть связана напрямую с промежуточным контуром 4. Обе сети 13, 14 могут подключаться или отключаться посредством предохранительного выключателя 21а, 21b соответственно. К выходной стороне промежуточного контура 4 подключен инверторный блок 17 для инвертирования напряжения U_ZK на промежуточном контуре 4 в переменное напряжение (здесь трехфазное переменное напряжение). Переменным напряжением может питаться электродвигатель 18.

Преобразователь 3 через дроссель 19 сетевого фильтра связан с промежуточным контуром 4, точнее, с его присоединительным проводом 4а. Преобразователь 3 содержит опорную емкость 5 на своей входной стороне, причем опорная емкость 5 включена последовательно с дросселем 19 сетевого фильтра. Кроме того, преобразователь 3 содержит, в общей сложности, три цепи 6, 7, 8. Каждая из них содержит последовательную схему из двух пар соответственно из одного выключателя ST и одного диода D. Это значит, что каждая цепь преобразователя содержит одну верхнюю и одну нижнюю пары из одного выключателя ST и одного диода D. Каждый выключатель ST может быть, например, силовым полупроводниковым выключателем. От двух цепей 7, 8 ответвляются соответственно фазы 9, 10 преобразователя. Через фазы 9, 10 энергоаккумулятор 2 подключен к преобразователю 3. В фазы 9, 10 включены соответственно дроссели 11, 12. Посредством защитных выключателей 20 энергоаккумулятор 2 может отсоединяться от фаз 9, 10 или подключаться к ним.

За счет включения преобразователя3 в энергоаккумулирующее устройство 1 на фиг. 1 на опорной емкости 5 устанавливается напряжение U_Steller, которое (в основном) равно напряжению U_ZK на промежуточном контуре 4. Обе фазы 9, 10 действуют посредством дросселей 11, 12 в качестве понижающего преобразователя между преобразователем 3 и энергоаккумулятором 2. Таким образом, напряжение U_ZK на промежуточном контуре 4 (буферированное опорной емкостью 5) понижается до более низкого напряжения U_Batterie на энергоаккумуляторе 2. В примере на фиг. 1 напряжение U_ZK на промежуточном контуре 4 имеет значения в диапазоне 450-1000 В, а пониженное напряжение U_Batterie на энергоаккумуляторе 2 – значения в диапазоне 300-450 В.

Устройство на фиг. 1 находит применение, например, в транспортном средстве с электроприводом, например, поезде, трамвае или автобусе. При этом транспортное средство выполнено в виде многосистемного транспортного средства, т.е. для эксплуатации от разных источников 13, 14 энергоснабжения. При этом энергоаккумулятор 2 может представлять собой тяговую аккумуляторную батарею. Она служит для привода электродвигателя 18, в случае если транспортное средство должно эксплуатироваться без непосредственного подключения к одной из сетей 13, 14.

Преобразователь 3 служит для зарядки энергоаккумулятора 2 от промежуточного контура 4 и его разрядки в промежуточный контур 4. Устройство на фиг. 1 имеет тот недостаток, что энергоаккумулятор 2 может принимать только те значения напряжения, которые лежат либо ниже самого низкого напряжения U_ZK на промежуточном контуре 4 (как на фиг. 1), либо выше самого высокого напряжения на нем. Таким образом, устройство на фиг. 1 является негибким при эксплуатации от сетей изменяющегося напряжения, представленных сетями 13, 14. В частности, сеть 13 подвержена сильным изменениям напряжения.

На фиг. 2 изображен вариант предложенного энергоаккумулирующего устройства 1, имеющего различные преимущества по сравнению с устройством на фиг. 1. Все компоненты на фиг. 2 соответствуют компонентам на фиг. 1, если они не выполнены или не имплементированы иным образом. Поэтому нет необходимости в их повторном пояснении.

В отличие от конфигурации на фиг. 1, промежуточный контур 4 на фиг. 2, точнее, его присоединительный провод 4а, подключен к преобразователю 2 иначе, нежели на фиг. 1. На фиг. 2 присоединительный провод 4а через дроссель 19 сетевого фильтра соединен напрямую с фазой 22 цепи 6 преобразователя (вместо последовательной схемы с опорной емкостью 5 на фиг. 1). На фиг. 2 это означает, что между выводом промежуточного контура 4 и опорной емкостью 5, помимо дросселя 19 сетевого фильтра, включена еще пара цепи 6, содержащая выключатель ST и диод D. Дроссель 19 сетевого фильтра работает в этой конфигурации как дроссель фазы 22. Таким образом, фаза 22 может работать в качестве повышающего преобразователя, так что напряжение U_ZK на промежуточном контуре 4 повышается до напряжения U_Steller на опорной емкости 5, которое равно или больше напряжения U_ZK на промежуточном контуре 4. Наоборот, фаза 22 может работать в качестве понижающего преобразователя, так что напряжение U_Steller на опорной емкости 5 может быть понижено до напряжения U_ZK на промежуточном контуре 4.

В то же время энергоаккумулятор 2 через фазу 10 цепи 8 и через дроссель 12 подключен к преобразователю 3. Таким образом, фаза 10 работает как понижающий преобразователь между преобразователем 3 и энергоаккумулятором 2 или как повышающий преобразователь в обратном направлении между энергоаккумулятором 2 и преобразователем 3. За счет конфигурации на фиг. 2 на опорной емкости 5 может устанавливаться, тем самым, напряжение U_Steller, которое равно или больше напряжения U_Batterie на энергоаккумуляторе 2.

За счет подключения промежуточного контура 4 к преобразователю 3, точнее, к его фазе 22, напряжение U_Steller на опорной емкости 5 преобразователя 3 может быть установлено на иное значение, нежели напряжение U_ZK на промежуточном контуре 4. Напряжение U_Steller может, тем самым, переменно устанавливаться равным или выше напряжения U_ZK. За счет повышения напряжения U_ZK на промежуточном контуре 4 до напряжения U_Steller на опорной емкости 5 обеспечивается регулирование напряжения U_Batterie на энергоаккумуляторе 2 независимо от напряжения U_ZK на промежуточном контуре 4. Таким образом, напряжение U_Batterie на энергоаккумуляторе 2 может гибко устанавливаться в диапазоне значений, который больше самого низкого напряжения U_ZK на промежуточном контуре 4 и меньше самого высокого напряжения на нем. В варианте на фиг. 2 напряжение U_ZK на промежуточном контуре 4 составляет, например, 450-1000 В, а напряжение U_Batterie на энергоаккумуляторе 2 – 600-900 В. Напряжение U_Batterie может устанавливаться, тем самым, очень гибко, прежде всего независимо от напряжения U_ZK на промежуточном контуре 4. При этом энергоаккумулирующее устройство 1 может весьма предпочтительно эксплуатироваться от разных сетей 13, 14, несмотря на отчасти сильные изменения напряжения в них. В частности, напряжение U_Batterie на энергоаккумуляторе 2 может устанавливаться на значение выше обычного напряжения сети 13, что предпочтительно по причинам энергоресурса и токовой нагрузки на энергоаккумулятор 2. Кроме того, устройство на фиг. 2 позволяет реализовать очень гибкую настройку напряжения на энергоаккумуляторе 2 с очень низкими затратами на аппаратное обеспечение.

За счет управления соответствующими коммутационными элементами ST и диодами D соответствующих участвующих цепей 6, 8 фазы 22, 10 могут эксплуатироваться, соответственно, как повышающий и понижающий преобразователи (в соответствии с приведенными выше пояснениями), чтобы устанавливать и регулировать напряжения U_Steller и U_Batterie. За счет настройки напряжения U_Steller на опорной емкости 5 больше напряжения U_Batterie на энергоаккумуляторе 2 можно, например, предотвратить непроизвольную разрядку энергоаккумулятора 2 в промежуточный контур 4. Тем не менее, напряжение на энергоаккумуляторе 2 можно выбрать выше самого низкого значения напряжения U_ZK на промежуточном контуре 4.

Для регулирования зарядного/разрядного тока на энергоаккумуляторе 2 можно, согласно одной концепции регулирования, установить напряжение U_Steller на опорной емкости 5 немного выше напряжения U_Batterie на энергоаккумуляторе 2, например, на 20%, 10%, 5% или 2%. Эта настройка происходит за счет управления цепью 6 преобразователя для преобразования напряжений U_Steller и U_ZK. Затем происходит регулирования зарядного/разрядного тока на энергоаккумуляторе 2 за счет управления цепью 8 преобразователя, с которой энергоаккумулятор 2 соединен через дроссель 12 (контролируемое/регулируемое повышение напряжения U_Batterie до напряжения U_Steller). За счет того, что напряжение U_Steller на опорной емкости 5 установлено лишь слегка выше напряжения U_Batterie (сравнительно небольшая разность напряжений), требуется установить очень высокую степень модуляции (например, более 95%), что заметно уменьшает или минимизирует долю переменного тока в зарядном/разрядном токе на энергоаккумуляторе 2. Таким образом, уменьшается нагрузка на энергоаккумулятор 2 за счет колебаний напряжения (пульсации), что оказывает щадящее действие на сам энергоаккумулятор 2.

С привлечением фиг. 3-6 ниже поясняется еще одна концепция регулирования устройства на фиг. 2.

На фиг. 2 сначала запрашивается, желательна ли зарядка или разрядка энергоаккумулятора 2 и лежит ли напряжение U_ZK промежуточного контура 4 в действующем диапазоне. Если нет, то фаза 10 модулируется до 0%, т.е. не происходит никакой зарядки или разрядки энергоаккумулятора 2, поскольку не происходит никакого преобразования напряжения. Если же требования на фиг. 3 удовлетворены, то фаза 10 модулируется до 100% (полная модуляция). Это значит, что напряжение U_Batterie энергоаккумулятора 2 устанавливается на напряжение U_Steller на опорной емкости 5 или уравнивается с ним. За счет регулирования напряжения U_Steller на опорной емкости 5 посредством регулирования цепи 6 (управление выключателями ST цепи 6 в качестве повышающего или понижающего преобразователя) можно отрегулировать нужный ток для зарядки или разрядки энергоаккумулятора 2. При этом фаза 10 остается на 100% полностью модулированной.

Для этого регулятор 23 заряда на фиг. 4 регулирует фактическое значение зарядного тока (или фактическое значение разрядного тока) до заданного значения зарядного тока (или заданного значения разрядного тока), задавая при этом заданное значение напряжения с учетом напряжения U_Batterie на энергоаккумуляторе 2. Напряжение U_Batterie нагружается при этом в качестве напряжения смещения. Заданное значение напряжения, задаваемое регулятором 23 заряда, переводится затем через перевод 1 в другой параметр регулирования.

Для этого регулятор 24 напряжения на фиг. 5 регулирует фактическое значение напряжения на опорной емкости 5 до заданного регулятором 23 заряда значения напряжения, задавая при этом заданное значение тока с учетом заданного значения тока батареи (при необходимости, с вычетом фактических значений других подключенных потребителей тока). При этом заданное значение тока соответствует заданному значению тока на фазе 22, которая подключена к промежуточному контуру 4. Заданное значение тока переводится затем через перевод 2 в другой параметр регулирования.

Для этого на фиг. 6 фактическое значение тока на фазе 22 регулируется посредством регулятора 25 тока до заданного регулятором 24 напряжения значения тока. При этом регулятор 25 тока задает управляющий сигнал для управления фазой 22. В случае режима зарядки (случай > 0 на фиг. 6) цепь 6 (фиг. 2) функционирует как повышающий преобразователь между промежуточным контуром 4 и опорной емкостью 5. При этом нижний выключатель ST в цепи 6 управляется посредством широтно-импульсно-модулированного управляющего сигнала (PWM). За счет настройки определенного напряжения U_Steller на опорной емкости 5 задается более или менее высокий зарядный ток из промежуточного контура 4 в направлении энергоаккумулятора 2. Высокое напряжение U_Steller дает высокий зарядный ток в направлении энергоаккумулятора 2.

В случае режима разрядки (случай < 0 на фиг. 6) цепь 6 (фиг. 2) функционирует как понижающий преобразователь между опорной емкостью 5 и промежуточным контуром 4. При этом верхний выключатель ST в цепи 6 управляется посредством широтно-импульсно-модулированного управляющего сигнала (PWM). За счет настройки определенного напряжения U_Steller на опорной емкости 5 или определенного напряжения U_ZK на промежуточном контуре 4 задается более или менее высокий разрядный ток из энергоаккумулятора 2 в направлении промежуточного контура 4. Низкое напряжение U_Steller или U_ZK дает высокий разрядный ток из энергоаккумулятора 2.

Таким образом, ток на энергоаккумуляторе 2 может регулироваться за счет управления цепью 6, причем фаза 10 остается полностью модулированной. Тем самым, доли переменного тока на энергоаккумуляторе 2 минимизируются или полностью подавляются. Следовательно, энергоаккумулятор 2 может эксплуатироваться очень щадящим образом.

Изображенные варианты выбраны лишь в качестве примера. Все регуляторы 23-25 могут быть, например, ПИ-регуляторами. Другие регуляторы (П, ПИД, ПТ1 и т.д.) могут быть использованы или добавлены в зависимости от требования к регулированию.

В не изображенных вариантах энергоаккумулирующего устройства 1 вместо отдельного преобразователя 3 может быть реализован четырехквадрантный преобразователь (4QS) 16. При этом вторичная обмотка трансформатора 15 может использоваться в качестве дросселя преобразователя. Таким образом, может отпасть отдельный преобразователь 3 на фиг. 2, что уменьшает затраты на аппаратное обеспечение. Далее энергоаккумулятор 2 на фиг. 2 может быть подключен вместо одной фазы 10 также к нескольким фазам преобразователя (фиг. 1). Это можно варьировать в зависимости от заданной мощности энергоаккумулятора 2.

Реферат

Группа изобретений относится к электрическим тяговым системам транспортных средств. Энергоаккумулирующее устройство содержит энергоаккумулятор, преобразователь и промежуточный контур источника энергоснабжения. Причем энергоаккумулятор выполнен с возможностью подключения через преобразователь к промежуточному контуру. Причем преобразователь содержит опорную емкость и несколько включенных параллельно опорной емкости управляемых цепей. Причем к каждой цепи преобразователя подключен отвод фазы преобразователя. Причем энергоаккумулятор соединен с одной первой фазой преобразователя, а промежуточный контур – со второй фазой преобразователя, которая отличается от первой фазы преобразователя. Также заявлен способ эксплуатации энергоаккумулирующего устройства. Технический результат заключается в возможности гибкой эксплуатации энергоаккумулирующего устройства с сетями любых или меняющихся напряжений. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

Формула