СИСТЕМА АККУМУЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 2018 года по МПК H02M7/49 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к устройству для источников электропитания и систем аккумулирования электрической энергии. Несмотря на то, что традиционные системы аккумулирования электрической энергии, например батареи, предоставляют очень ограниченные электрические характеристики, например напряжение постоянного тока, имеющее напряжение, задаваемое конструкцией батареи и состоянием заряда, изобретение обеспечивает возможность предоставления, в определенных пределах, например при максимальном напряжении и максимальном токе, практически любых профилей тока и напряжения, например синусоидальной формы, при отсутствии необходимости в наличии отдельной силовой электронной преобразовательной схемы. В то же время изобретение обеспечивает возможность не только снабжения энергией, но также и приема энергии практически в любой форме и зарядки его встроенных накопителей электрической энергии, например конденсаторов, батарей, аккумуляторных батарей и т.п., при соблюдении в то же время заданных зарядных характеристик, например конкретных профилей тока, профилей напряжения и профилей мощности в зависимости от времени (например постоянных, с подъемом с конкретным профилем или спадом с конкретным профилем).

Уровень техники

Существующие системы, известные из уровня техники, например модульный многоуровневый преобразователь US (см. документы US 7269037; DE 10103031), модульный многоуровневый преобразователь M2SPC (см. документы WO 2012 072197; DE 10 2010052934; WO 2012 072168; WO 2012 072197; ЕР 2011 0179321; DE 2010 1052934; WO 2013 017186; DE 10 2011108920) и различные модификации (см., например, документы US 13/990463; US 14/235812; DE 10 2010008978; DE 10 2009057288; US 3581212), как известно, могут осуществлять динамическое объединение аналогично тому, как это имеет место в предлагаемом согласно настоящему изобретению устройстве, одиночных накопителей энергии друг с другом, чтобы обеспечить возможность снабжения энергией или приема энергии практически при любых характеристиках тока и напряжения на соединителях системы. Однако для каждого из этих известных технических решений необходимо, чтобы накопитель электрической энергии был выполнен в виде отдельного модуля. Электрические переключатели электрически соединенных между собой модулей дают возможность осуществлять, благодаря подходящей активации, динамическое изменение электрического соединения между собой накопителей электрической энергии в соответствующих модулях, например между электрически соединяемыми последовательно между собой накопителями электрической энергии разных модулей, электрически соединяемыми параллельно между собой накопителями электрической энергии разных модулей, или шунтирования накопителей электрической энергии по меньшей мере одного модуля, в результате которого ток направляется в обход накопителя электрической энергии благодаря подходящей активации электрических переключателей, то есть указанный накопитель электрической энергии не включен в цепь и, следовательно по меньшей мере периодически как не заряжается, так и не разряжается. Однако для правильной работы каждый модуль может содержать только один накопитель электрической энергии. Объединение ряда накопителей электрической энергии в одном модуле не может исправить несходства в отдельных накопителях электрической энергии, которые возникают вследствие, например, процессов старения или вследствие технологических допусков. Кроме того, невозможно встроить в один модуль разные накопители электрической энергии, например батарею и конденсатор. Необходимость предоставления отдельного модуля для каждого в отдельности накопителя электрической энергии приводит к высоким затратам за счет необходимости в дополнительных электронных компонентах, например таких, как транзисторы и элементы развязки по постоянному току, например оптические, трансформаторы, и требует сложной активации за счет большого количества электрических переключателей, которыми нужно управлять. Кроме того, в систему необходимо встраивать большое количество датчиков для измерения, например, напряжения модуля и/или тока модуля.

Раскрытие сущности изобретения

Настоящее изобретение устраняет этот недостаток с помощью подходящей цепи, которая может применяться как микросхема соединений для преобразователей M2C, M2SPC и аналогичных цепей.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показана макросхема соединений для M2SPC из уровня техники. Макросхема соединения M2SPC описывает соединение между собой отдельных модулей, которые, в свою очередь, определены микросхемой соединений.

На фиг. 2 показаны три примера микросхемы соединений, следовательно, схем соединений модуля для технологии М2С из уровня техники. Накопители электрической энергии или накопители (202, 204, 206) электрической энергии модуля подключены к двум выводам (207, 208), (209, 210) и (211, 212) модуля посредством электронных переключателей таким образом, что накопитель (202, 204, 206) модуля может быть электропроводно подключен разными способами в ряде состояний к двум выводам (207, 208), (209, 210) и (211, 212) модуля. Все три показанных модуля имеют, по меньшей мере, состояние с шунтированием и состояние с последовательным соединением. В состоянии с шунтированием ток направляется в обход накопителя (202, 204, 206) электрической энергии модуля с помощью электрических переключателей от одного вывода (207, 209, 211) модуля к другому (208, 210, 212) так, что к любому из выводов модуля электропроводно подключен только не более чем один из двух соединителей накопителя электрической энергии модуля, тогда как другой соединитель накопителя (202, 204, 206) электрической энергии модуля изолирован от выводов модуля электрическими переключателями, так что накопитель электрической энергии модуля не входит в состав цепи с выводами модуля, а также не разряжается и не заряжается. В состоянии с последовательным соединением один из двух соединителей накопителя (202, 204, 206) электрической энергии модуля электропроводно подключен к одному из двух выводов (207, 208), (209, 210) и (211, 212) модуля с помощью электрических переключателей; кроме того, другой из двух соединителей накопителя (202, 204, 206) электрической энергии модуля электропроводно подключен к другому из двух выводов (207, 208), (209, 210) и (211, 212) модуля. В результате этого в состоянии с последовательным соединением накопитель электрической энергии модуля электропроводно подключен между двумя выводами модуля и либо заряжается, либо разряжается при прохождении тока. В этом случае напряжение между двумя выводами модуля соответствует напряжению накопителя электрической энергии модуля. Кроме накопителя электрической энергии модуля, модули могут содержать дополнительные электронные элементы, которые в данном случае показаны в виде квадратов (201, 202, 203) черного цвета.

На фиг. 3 показаны три примера микросхемы соединений для технологии M2SPC. Эти модули дополнительно имеют, кроме уже указанных выше состояний, по меньшей мере одно состояние параллельного соединения, которое позволяет подключать друг к другу накопители электрической энергии модулей двух разных модулей электрически параллельно с помощью подходящей активации электрических переключателей модулей.

На фиг. 4 показан пример соединения между собой модулей M2SPC с образованием плеча преобразователя.

На фиг. 5 показан вариант осуществления изобретения. В качестве примера, за основу выбран один из модулей M2SPC по фиг. 3. В данном случае накопитель (302) электрической энергии заменен на блок (1817) накопления электрической энергии, который состоит из по меньшей мере двух отдельных накопителей (1806, 1807, 1808) и соответствующих корректирующих элементов (1809, 1810, 1811). Блок (1817) накопления электрической энергии может быть встроен в другие схемы соединений модулей, такие как, например, схемы соединений модулей, известные из документов US 7269037; DE 10103031; WO 2012 072197; DE 10 2010052934; WO 2012 072168; WO 2012 072197; EP 2011 0179321; DE 2010 1052934; WO 2013 017186; DE 10 2011 108920; US 13/990463; US 14/235812; DE 10 2010008978; DE 10 2009057288; US 3581212.

На фиг. 6 показаны формы выполнения корректирующих элементов (1809, 1810, 1811, 1901). Корректирующий элемент содержит по меньшей мере два электрических соединителя (1902, 1903) и обеспечивает возможность регулируемого прохождения тока, когда удовлетворяются конкретные условия.

На фиг. 7 показаны другие формы выполнения корректирующих элементов (1809, 1810, 1811, 1901, 2001, 2005, 2010, 2016, 2022).

На фиг. 8 показан конкретный вариант осуществления изобретения с по меньшей мере одним корректирующим блоком (2116), который содержит по меньшей мере два корректирующих элемента.

На фиг. 9 показан другой конкретный вариант осуществления изобретения с по меньшей мере одним корректирующим блоком (2216), который содержит по меньшей мере два корректирующих элемента и по меньшей мере два датчика напряжения, причем по меньшей мере два из корректирующих элементов соединены электрически параллельно с соответствующими разными накопителями электрической энергии.

На фиг. 10 показан модуль согласно конкретному варианту осуществления изобретения с альтернативным корректирующим блоком (2336).

На фиг. 11 показан модуль согласно конкретному варианту осуществления изобретения с альтернативными корректирующими блоками (2431-2442), который обеспечивает максимальную гибкость.

На фиг. 12 показан модуль согласно другому конкретному варианту осуществления изобретения.

На фиг. 13 показан модуль согласно конкретному варианту осуществления изобретения с уменьшенным количеством альтернативных корректирующих блоков (2631, 2636, 2639).

На фиг. 14 показан модуль согласно конкретному варианту осуществления изобретения с двунаправленными электрическими переключателями.

Осуществление изобретения

Предлагаемое согласно настоящему изобретению устройство состоит из соединения между собой модулей, электрическая схема которого описывается «микросхемой соединений». Эти модули соединены между собой в макросхеме соединений с образованием более крупных блоков. Примерами макросхем соединений является «схема соединения Марквардта» (см., например, документ US 7269037 и S. Goetz, A. Peterchev, Т. Weyh (2015). Modular Multilevel Converter With Series and Parallel Module Connectivity: Topology and Control. IEEE Transactions on Power Electronics, 30(1): 203-215), которая показана для цепи M2SPC на фиг. 1, или простое «плечо преобразователя», которое образуется в результате соединения между собой по меньшей мере двух модулей. В этом случае модули нормально соединены последовательно так, что некоторые из соединителей одного модуля электропроводно подключены к некоторым из соединителей другого модуля (см., например, фиг. 4). Не ограничивая концепцию, на фиг. 4 показана макросхема соединений, в которой модули соединены посредством их соединителей модуля с образованием цепи; следовательно, каждый модуль, за исключением двух крайних модулей, соединен именно с двумя другими модулями. При том, что указанная макросхема соединений позволяет получить любые формы напряжения между концами цепи, с помощью подходящего электрического соединения соединителей модулей можно образовать любые другие макросхемы соединений. Преимущественной макросхемой соединений является макросхема соединений, в которой все возможные пары из двух модулей или электрически соединены друг с другом непосредственно или каждая из них электрически соединена с одной и той же группой модулей и, следовательно, не непосредственно. Можно также объединять в одной макросхеме соединений модули разных типов, то есть модули разных микросхем соединений. Однако объединенные модули должны иметь по меньшей мере два общих состояния. Состояние модулей определяет то, как соответствующие накопители электрической энергии или блоки накопления электрической энергии разных модулей электрически соединены друг с другом посредством подходящей активации соответствующих электрических переключателей модулей.

Электрическое соединение между собой ряда накопителей электрической энергии или блоков накопления электрической энергии с помощью подходящей активации электрических переключателей в соответствующих модулях при электрическом последовательном соединении, электрическом параллельном соединении, электрическом шунтировании и т.п. называется связностью. Применение быстродействующих электрических переключателей позволяет очень быстро осуществлять динамическое изменение связности. Предпочтительно, динамическое изменение связности может происходить менее чем за одну миллисекунду, и изобретение является особенно преимущественным в том случае, если динамическое изменение связности происходит менее чем за 5 мкс.

В тексте, приведенном ниже, термин «накопитель электрической энергии» распространяется также на блоки накопления электрической энергии.

Изменение связности для ряда электрически соединенных между собой модулей, например в схеме соединений Марквардта (см. фиг. 1) или для простого пути (часто называемого плечом преобразователя, в котором на двух концах пути обычно имеются соединители для к внешних электрических систем, таким как нагрузки, источники или электрические сети), позволяет при необходимости осуществлять динамическую регулировку напряжения соединителей (на фиг. 1 (125, 126, 129, 130, 131, 132)). Напряжение может регулироваться ступенями, которые соответствуют напряжениям модулей, то есть напряжению, предоставляемому накопителями электрической энергии модулей; кроме того, быстрый переход между рядом таких ступеней дает также возможность получить точные промежуточные уровни напряжения соединителей.

Как уже указано выше, система может осуществлять обмен зарядом между блоками накопления электрической энергии разных модулей, например для обеспечения возможности выравнивания зарядов, преобразования энергии или превращения энергии и, в частности, распределения нагрузки внутри блоков накопления электрической энергии и/или накопителей электрической энергии. Изобретение предоставляет также функцию динамической реконфигурации блоков накопления электрической энергии и/или накопителей электрической энергии в комбинацию последовательного взаимного соединения и, в зависимости от применяемой микросхемы соединений, в параллельное взаимное соединение. Благодаря относительно большому внутреннему активному сопротивлению многих накопителей электрической энергии и их ограниченной динамике, состояние с параллельным соединением является особенно преимущественной характеристикой для распределения электрической нагрузки между рядом модулей или накопителей электрической энергии и для выравнивания состояния заряда ряда отдельных элементов, чтобы повысить эффективность системы в целом.

Состояние с параллельным соединением, следовательно, возможность связности в виде параллельного соединения между накопителями электрической энергии и/или блоками накопления электрической энергии, может также иметь два преимущества. Оно дает возможность повысить нагрузочную способность системы по току за счет уменьшения эффективного внутреннего сопротивления. Кроме того, состояние с параллельным соединением предоставляет способ выравнивания заряда отдельных модулей без необходимости в измерении и текущем контроле электрических параметров, таких как, например, напряжение модуля. Поскольку изобретение не требует точной информации о направленном внутрь и наружу потоке заряда в модулях, оно, например, может обеспечить получение уравновешенного состояния системы даже без замкнутого контура регулирования в контроллере без обратной связи и может упростить контроль заряда во всей системе.

При определенных условиях преимущественно, чтобы в один модуль было встроено более одного накопителя электрической энергии. Преимущественно, эти несколько накопителей электрической энергии могут быть электрически соединены последовательно, чтобы создать общее, более высокое напряжение, по сравнению с одним накопителем электрической энергии. Кроме того, может быть преимущественным, если отдельные накопители электрической энергии, объединенные в одном модуле, в этом случае не одного и того же типа или по меньшей мере немного отличаются друг от друга в плане их рабочего режима или их характеристик (напряжение, емкость, совместимое максимальное напряжение, температура). Это небольшое различие уже существует вследствие того, что отдельные накопители электрической энергии, объединенные в одном модуле, отличаются друг от друга по меньшей мере на 5% по одному из упомянутых параметров.

Преимущественно, существует небольшое различие в том, что отдельные накопители электрической энергии, объединенные в одном модуле, отличаются по одному из упомянутых параметров на 10%. По сравнению с техническими решениями из уровня техники, настоящее изобретение обеспечивает экономию на компонентах, а также модулях, упрощает управление и уменьшает потери, которые возникают из-за большого количества отдельных модулей при активации модулей и передачи сигналов от модулей и к модулям с развязкой по постоянному току. На фиг. 5 показан пример модуля согласно изобретению. Указанный модуль содержит ряд накопителей (1806, 1807, 1808) электрической энергии, каждый из которых электрически соединен параллельно с соответствующим корректирующим элементом (1809, 1810, 1811). Ряд пар блоков, содержащих накопители электрической энергии и соответствующий корректирующий элемент электрически соединены последовательно и образуют блок (1817) накопления электрической энергии. В блоке (1817) накопления электрической энергии отдельные накопители электрической энергии не должны быть соединены только последовательно. Каждый отдельный накопитель электрической энергии может быть также усилен дополнительными накопителями электрической энергии, которые электрически соединены параллельно с ним. Как указано выше, блок (1817) накопления электрической энергии может быть также объединен в соответствии с изобретением с другими микросхемами соединений, например микросхемами соединений по фиг. 2 и 3. В этом случае блок накопления электрической энергии заменяет или дополняет накопитель электрической энергии, например (202, 204, 206, 302, 304, 306), в микросхеме соединений.

Кроме того, возможно также электрическое параллельное соединение или электрическое последовательное соединение друг с другом ряда аналогичных или разных блоков накопления электрической энергии и затем встраивание в модуль. Получаемая в результате комбинация блоков накопления электрической энергии, в свою очередь, согласно изобретению представляет собой блок накопления электрической энергии.

Типичным требованием к корректирующему элементу является рассеяние заряда, называемое также отведением, от накопителей электрической энергии, соединенных параллельно с ним, чтобы уменьшить градиент электрического напряжения на накопителе электрической энергии, например, путем поддержания на уровне ниже заданного предела пиковых напряжений, которые возникают через каждый из соединителей накопителя электрической энергии, и/или чтобы ограничить электрическую нагрузку на накопителе электрической энергии и/или ограничить температуру накопителя электрической энергии. Управление корректирующим элементом или его регулирование может быть осуществлено с помощью отдельного электронного блока управления, который подает сигнал для одного или нескольких электрических переключателей в корректирующем элементе и/или управляемых импедансов в корректирующем элементе; кроме того, управление корректирующим элементом или его регулирование может также происходить пассивно, и это означает, что отсутствует необходимость в отдельном электрическом блоке управления, а не то, что физические или химические характеристики одного или нескольких элементов корректирующего элемента, например, зависимости конкретной температуры или напряжения от сопротивления, импеданса или полупроводника, вызывают управление корректирующим элементом или его регулирование.

В качестве примера, корректирующие элементы (1809, 1810, 1811) могут быть выполнены так, как показано на фиг. 6 и 7. Корректирующие элементы могут представлять собой электрические двухполюсники, имеющие электрические соединители (1902) и (1903). Для ограничения напряжения с одновременным удалением заряда можно применять, например, следующие электрические элементы:

(a) стабилитроны (1908) и электрически аналогичные элементы, имеющие низкое сопротивление для напряжений выше определенного предела;

(b) ограничительные диоды (1904);

(c) зависимые от напряжения (обычно нелинейно) комплексные импедансы (то есть имеющие активный(ые) и/или реактивный(ые) компонент(ы)) (1905);

(d) защитные разрядники (1909) или другие зависимые от напряжения или температуры импедансы, которые могут содержать активные и/или реактивные компоненты;

(e) электрические переключатели или управляемые импедансы (в том числе реле, полевые транзисторы, биполярные транзисторы и другие управляемые резисторы) (1911);

(f) электрические переключатели или управляемые импедансы, объединенные с комплексными импедансами (1912, 1913), которые могут иметь активные и/или реактивные компоненты и могут быть нелинейными.

Примерами управляемых импедансов являются электрические переключатели и полупроводниковые элементы, которые могут приводиться в действие не как переключатели (то есть только с двумя состояниями: закрытым состоянием с хорошей электропроводностью (эффективное сопротивление менее 1 Ом, преимущественно эффективное активное сопротивление менее 0,1 Ом) и открытым состоянием с плохой электропроводностью (эффективное сопротивление более 1000 Ом; преимущественно эффективное сопротивление по меньшей мере 1000000 Ом)), а в их диапазоне сопротивлений между ними, или переключатели, которые переключаются между рядом сопротивлений или импедансов, и управляемые стабилитроны (которые известны, как регулируемые стабилитроны).

Для технических решений, которые содержат электрический переключатель или управляемый импеданс (1911, 1912/1913), блок управления может выдавать сигнал управления и/или осуществлять управление с обратной связью или управление без обратной связи.

Нейтральные технические решения, то есть, в частности, технические решения, которые не требуют отдельного блока измерения, контроля и/или управления, имеют важные преимущества, снижают затраты и ограничивают сложность. На фиг. 7 показаны варианты осуществления, в которых переключатели или управляемые импедансы выполнены вместе со средствами, которые управляют ими, и, как пример, могут ограничивать напряжение одного или нескольких накопителей электрической энергии, входящих в состав блока накопления энергии. Устройство (2001) ограничения напряжения может быть выполнено в виде переключателя или управляемого импеданса, показанного в данном случае в виде полевого транзистора (2002), резистора (2004) и стабилитрона (альтернативно, также ограничителя напряжения, разрядника и т.п.) (2003). Напряжение затвора транзистора регулируется напряжением Vs, которое ниже на определенный уровень напряжения, который обусловливается элементом (2003), чем напряжение накопителя электрической энергии, соответствующего корректирующему элементу. Подходящий выбор порогового напряжения Vt транзистора и напряжения пробоя элемента (2003) Vs позволяет ограничить максимальное напряжение накопителя энергии до приблизительно Vt+Vs. Перемена полярности диода обратной цепи, подключенного параллельно с переключателем или управляемым импедансом (2002), может предотвратить резкое повышение напряжения, возникающее из-за реактивных составляющих тока.

Элемент (2003), аналогичным образом, может быть заменен на традиционный резистор. Кроме того, импеданс (2006) может быть введен в путь тока электрического переключателя или управляемого импеданса (2007), как показано в (2005). В (2010) и (2016) электрический переключатель или управляемый импеданс выполнен в виде биполярного транзистора (2012, 2018); в (2022) электрический переключатель или управляемый импеданс выполнен в виде управляемого стабилитрона (называемого также регулируемым стабилитроном) (2024), который позволяет вносить изменения в величину его напряжения пробоя через по меньшей мере один вход управления и поставляется на рынок рядом изготовителей.

Импедансы (2006, 2011, 2017, 2023) являются необязательными и могут быть близкими к нулю или равными нулю. Аналогично этому, могут быть близкими к нулю ли равными нулю затвор, база и аналогичные входные сопротивления (2013, 2019, 2025).

Корректирующие элементы по меньшей мере двух накопителей (2113, 2114, 2115; 2213, 2214, 2215) электрической энергии одного и того же модуля, каждый из которых содержит, например, по меньшей мере один транзистор и, предпочтительно, каждый из которых, к тому же, содержит по меньшей мере один импеданс, вместе могут образовывать корректирующий блок (2116; 2216) (см., например, фиг. 8 и 9). Предпочтительно, корректирующий блок дополнительно содержит по меньшей мере два датчика напряжения (см. фиг. 9). Такой датчик напряжения может измерять напряжение как одного накопителя электрической энергии, так и электрической комбинации, например последовательной или параллельной, ряда накопителей электрической энергии. По меньшей мере два датчика напряжения, дополнительно могут быть также выполнены в виде одного датчика напряжения с мультиплексором. Такая комбинация мультиплексора и датчика в согласно данному изобретению истолковывается, вследствие аналогичного поведения, как ряд датчиков. В конкретном варианте осуществления изобретения каждый из по меньшей мере двух накопителей электрической энергии по меньшей мере двух модулей имеет по меньшей мере один соответствующий корректирующий блок и по меньшей мере один соответствующий датчик напряжения, электрически соединенные параллельно с ними. В другом варианте осуществления изобретения корректирующий блок содержит по меньшей мере один датчик тока, который измеряет ток, который входит в по меньшей мере один накопитель электрической энергии соответствующего модуля или выходит из него.

Как показано на фиг. 10, корректирующий элемент может альтернативно содержать электрический переключатель (2336), который при активации электропроводно подключает соединяющий узел (2324) для по меньшей мере двух накопителей (2314, 2315) электрической энергии к выводу (2310) модуля. Таким образом, накопители электрической энергии между указанным соединяющим узлом (2324) и положительной шиной (2361) модуля и накопители электрической энергии между указанным соединяющим узлом (2324) и отрицательной шиной (2362) модуля могут заряжаться и разряжаться в разной степени вследствие того, что через вывод(ы) модуля проходит ток, этот ток поступает, например, от другого модуля или электрической нагрузки, направляясь при этом к указанному соединяющему узлу (2324) или удаляясь от него частично или полностью, через электрический переключатель (2336). Этим обеспечивается возможность выравнивания разных состояний заряда и физических и/или химических различий, так же, как указано вначале, в накопителях электрической энергии, встроенных в модуль.

Как видно из фиг. 11, где показан пример модуля, имеющего четыре вывода (2409, 2410, 2411, 2412) модуля, корректирующие элементы могут быть выполнены так, что каждый соединяющий узел (2423, 2424, 2425) по меньшей двух накопителей электрической энергии, который не является прямо идентичным положительной шине (2461) модуля или отрицательной шине (2462) модуля, по меньшей мере периодически электропроводно подключается к каждому из выводов (2409-2412) модуля посредством по меньшей мере одного соответствующего электрического переключателя (2431-2442). Модуль, имеющий всего лишь два вывода (2509, 2511) модуля для этой ситуации, соответственно требует меньшего количества электрических переключателей (2531, 2533, 2535, 2537, 2539, 2541), как показано на фиг. 12, причем количество выводов модулей соответственно увеличивается с увеличением числа переключателей, как может быть ясно специалисту в данной области техники.

Автор изобретения, кроме того, признает тот факт, что, хотя введение соответствующего специально предназначенного для данной цели электрического переключателя между каждым соединяющим узлом по меньшей мере двух накопителей электрической энергии, которые одновременно не соответствуют шине, и каждым выводом модуля позволяет получить большую гибкость, оно не является необходимым для обеспечения независимой зарядки и разрядки накопителей электрической энергии модуля. Для вариантов, описанных выше, которые предоставляют широкие возможности в плане установления коммутируемых электрических соединений от соединяющих узлов к выводам модуля, в некоторых случаях можно оставить более половины всех электрических переключателей.

Предпочтение отдается тем вариантам осуществления, в которых каждый соединяющий узел для по меньшей мере двух накопителей электрической энергии, которые одновременно не соответствуют шине, которая сама уже может по меньшей мере периодически электропроводно подключаться к выводу модуля посредством электрического переключателя, может по меньшей мере периодически электропроводно подключаться к по меньшей мере одному какому угодно выводу модуля посредством по меньшей мере одного электрического переключателя.

Для того чтобы количество переключателей не было большим, лишь некоторые из соединяющих узлов для по меньшей мере двух накопителей электрической энергии могут быть также электропроводно подключены к по меньшей мере одному выводу модуля посредством электрических переключателей.

На фиг. 13 показан произвольно выбранный вариант осуществления, в котором по меньшей мере три, предпочтительно каждый, соединяющих узла для по меньшей мере двух накопителей (2613, 2614, 2615) электрической энергии могут по меньшей мере периодически электропроводно подключаться к по меньшей мере одному выводу (2609, 2610) модуля посредством по меньшей мере одного электрического переключателя (2631, 2636, 2639). На фиг. 13 электрические переключатели соединяют два из трех соединяющих узлов, показанных для разных выводов (2609, 2610) модуля, например для того, чтобы проиллюстрировать гибкость в плане возможных комбинаций. Кроме того, по меньшей мере один накопитель (2613, 2614, 2615) электрической энергии может иметь по меньшей мере один соответствующий датчик (2651, 2652, 2653) напряжения. Предпочтительно, по меньшей мере один датчик напряжения электрически соединен параллельно с каждым накопителем электрической энергии модуля. Такой датчик напряжения может измерять напряжение как одного накопителя электрической энергии, так и электрической комбинации, например последовательной или параллельной, ряда накопителей электрической энергии. Поскольку необходимо прохождение лишь малых уравнительных токов через указанные электрические переключатели между соединяющими узлами для по меньшей мере двух накопителей электрической энергии и по меньшей мере одним выводом модуля, выполнение электрических переключателей может обойтись очень недорого. Поскольку увеличивается скорость переключения и имеет место соответствующее быстрое выравнивание неуравновешенного заряда или разряда накопителей электрической энергии, может быть дополнительно уменьшена нагрузочная способность по току указанных электрических переключателей. Необходимая диэлектрическая прочность указанных электрических переключателей является более низкой, чем напряжение модуля, будучи зависимой от расположения соединителя переключателя относительно соединяющего узла для по меньшей мере двух накопителей электрической энергии. В качестве примера, самое высокое напряжение на электрическом переключателе между соединяющим узлом от середины электрически последовательного соединения между собой четырех накопителей электрической энергии, имеющих одинаковое напряжение, и выводом модуля равно всего лишь приблизительно половине напряжения модуля.

Электрические переключатели между соединяющими узлами для по меньшей мере двух накопителей электрической энергии и выводами модуля могут быть выполнены в виде электромеханических переключателей. Предпочтительно указанные переключатели представляют собой полупроводниковые переключатели, которые обеспечивают возможность не только простоты активации и деактивации электрической линии, но и также модуляции переключения, например широтно-импульсного модуляции (ШИМ), чтобы регулировать напряжение или прохождение тока и, следовательно, несмотря на большие по величине токи нагрузки на выводах модуля, небольшой уравнительный ток, чтобы корректировать различия в зарядке или разрядке накопителей электрической энергии. В частности, полупроводниковые переключатели могут быть выполнены или как переключатели, которые переключают ток только однонаправленно, или как переключатели, которые могут также переключать ток двунаправленно. На фиг. 14 показано в качестве примера три электрических переключателя (2731, 2736, 2739), которые могут переключать ток двунаправленно. Двунаправленные переключатели дают то преимущество, что могут осуществлять управление током в обоих направлениях и, следовательно, как в исходном режиме, так и в режиме зарядки накопителей электрической энергии модуля.

Особенно большие преимущества может дать комбинация корректирующих элементов, которые содержат электрические переключатели, которые могут периодически электропроводно соединять соединяющие узлы для по меньшей мере двух накопителей электрической энергии и по меньшей мере один вывод модуля (см. фиг. 10-14), и корректирующих элементов, которые соединены параллельно с отдельными накопителями электрической энергии или, например, с последовательной или параллельной комбинацией ряда накопителей электрической энергии (см. фиг. 5-9). В качестве примера, первые упомянутые корректирующие элементы способны заряжать отдельные накопители электрической энергии в большей степени, чем другие, но с ними могут быть связаны более высокие затраты на производство, зависящие от того, какие компоненты применяются, тогда как последние упомянутые корректирующие элементы могут, главным образом, ускорять разрядку и в настоящее время стоимость их изготовления невысока. Комбинация может объединять в себе преимущества того и другого.

Один вариант осуществления изобретения содержит ряд электрически соединенных между собой модулей (101-124) аналогичного типа, каждый из которых имеет по меньшей мере один накопитель (202, 204, 206, 302, 304, 306) электрической энергии или по меньшей мере один блок (1817) накопления электрической энергии и по меньшей мере один электрический переключатель (213-317, 318-328; 1801, 1802, 1803, 1804, 1812, 1813, 1814, 1815), выполненный таким образом, что по меньшей мере один модуль (101-124) имеет блок (1817) накопления электрической энергии, который имеет по меньшей мере два электрически последовательно соединенных накопителя (1806, 1807, 1808) электрической энергии, причем каждый из этих накопителей (1806, 1807, 1808) электрической энергии имеет электрически параллельно подключенный корректирующий элемент (1809, 1810, 1811), который способен отводить электрический заряд от соответствующего электрически параллельно подключенного накопителя (1806, 1807, 1808) электрической энергии и/или его направление в этот накопитель,

причем считается, что ряд модулей представлен модулями аналогичного типа, если они выполнены с возможностью реализации посредством подходящей активации соответствующего по меньшей одного электрического переключателя (213-317, 318-328; 1801, 1802, 1803, 1804, 1812, 1813, 1814, 1815) по меньшей мере двух из следующих трех состояний:

по меньшей мере один накопитель (202, 204, 206, 302, 304, 306) электрической энергии или по меньшей мере один блок (1817) накопления электрической энергии модуля соединен последовательно с по меньшей мере одним накопителем (202, 204, 206, 302, 304, 306) электрической энергии или по меньшей мере одним блоком (1817) накопления электрической энергии другого модуля;

по меньшей мере один накопитель (202, 204, 206, 302, 304, 306) электрической энергии или по меньшей мере один блок (1817) накопления электрической энергии модуля соединен параллельно с по меньшей мере одним накопителем (202, 204, 206, 302, 304, 306) электрической энергии или по меньшей мере одним блоком (1817) накопления электрической энергии другого модуля;

по меньшей мере один накопитель (202, 204, 206, 302, 304, 306) электрической энергии или по меньшей мере один блок (1817) накопления электрической энергии модуля шунтирован так, что по меньшей мере один накопитель (202, 204, 206, 302, 304, 306) электрической энергии или по меньшей мере один блок (1817) накопления электрической энергии модуля имеет только не более одного из своих по меньшей мере двух электрических контактов, который подключен электропроводно к по меньшей мере одному накопителю (202, 204, 206, 302, 304, 306) электрической энергии или по меньшей мере одному блоку (1817) накопления электрической энергии другого модуля и нет замкнутой цепи с по меньшей мере одним накопителем (202, 204, 206, 302, 304, 306) электрической энергии или по меньшей мере одним блоком (1817) накопления электрической энергии другого модуля.

Альтернативный вариант осуществления изобретения содержит ряд электрически соединенных между собой модулей (101-124) аналогичного типа, каждый из которых содержит по меньшей мере один накопитель (202, 204, 206, 302, 304, 306) электрической энергии или по меньшей мере один блок (1817) накопления электрической энергии и по меньшей мере два электрических переключателя (213-317, 318-328; 1801, 1802, 1803, 1804, 1812, 1813, 1814, 1815), которые обеспечивают возможность изменения связности по меньшей мере одного накопителя (202, 204, 206, 302, 304, 306) электрической энергии или по меньшей мере одного блока (1817) накопления энергии по отношению к накопителям (202, 204, 206, 302, 304, 306) энергии или блокам (1817) накопления энергии других модулей, характеризующийся тем, что по меньшей мере один модуль (101-124) содержит блок (1817) накопления электрической энергии, который содержит по меньшей мере два электрически последовательно соединенных накопителя (1806, 1807, 1808) электрической энергии, причем каждый из этих накопителей (1806, 1807, 1808) электрической энергии имеет корректирующий элемент (1809, 1810, 1811; 2336; 2431-2442; 2531, 2535, 2539; 2631, 2636, 2639), который выполнен с возможностью отведения электрического заряда от блока (1817) накопления электрической энергии и/или направления электрического заряда в блок (1817) накопления электрической энергии, так что некоторые из накопителей электрической энергии блока (1817) накопления электрической энергии нагружены меньшим током, чем остальные накопители электрической энергии блока (1817) накопления энергии,

причем считается, что ряд модулей представлен модулями аналогичного типа, если они выполнены с возможностью реализации посредством подходящей активации соответствующих по меньшей мере двух электрических переключателей (213-317, 318-328; 1801, 1802, 1803, 1804, 1812, 1813, 1814, 1815) по меньшей мере следующих состояний переключения:

по меньшей мере один накопитель (202, 204, 206, 302, 304, 306) электрической энергии или по меньшей мере один блок (1817) накопления электрической энергии модуля соединен последовательно с по меньшей мере одним накопителем (202, 204, 206, 302, 304, 306) электрической энергии или по меньшей мере одним блоком (1817) накопления электрической энергии другого модуля;

по меньшей мере один накопитель (202, 204, 206, 302, 304, 306) электрической энергии или по меньшей мере один блок (1817) накопления электрической энергии модуля шунтирован так, что по меньшей мере один накопитель (202, 204, 206, 302, 304, 306) электрической энергии или по меньшей мере один блок (1817) накопления электрической энергии модуля имеет только не более одного из своих по меньшей мере двух электрических контактов, который подключен электропроводно к по меньшей мере одному накопителю (202, 204, 206, 302, 304, 306) электрической энергии или по меньшей мере одному блоку (1817) накопления электрической энергии другого модуля и нет замкнутой цепи по меньшей мере одного накопителя (202, 204, 206, 302, 304, 306) электрической энергии или по меньшей мере одного блока (1817) накопления электрической энергии другого модуля.

Предпочтительно, по меньшей мере два модуля, кроме того, дополнительно позволяют получить состояние переключения, в котором по меньшей мере один накопитель (202, 204, 206, 302, 304, 306) электрической энергии или по меньшей мере один блок (1817) накопления электрической энергии модуля соединен параллельно с по меньшей мере одним накопителем (202, 204, 206, 302, 304, 306) электрической энергии или по меньшей мере одним блоком (1817) накопления электрической энергии другого модуля.

В предпочтительном варианте осуществления по меньшей мере один корректирующий элемент (1809, 1810, 1811) электрически соединен параллельно с по меньшей мере одним накопителем (1806, 1807, 1808) электрической энергии.

В другом предпочтительном варианте осуществления по меньшей мере один корректирующий элемент имеет по меньшей мере один электрический переключатель, который может периодически электропроводно подключать по меньшей мере один соединяющий узел для по меньшей мере двух накопителей электрической энергии к по меньшей мере одному выводу модуля.

В следующем предпочтительном варианте осуществления по меньшей мере один из корректирующих элементов (1809, 1810, 1811) ограничивает напряжение по меньшей мере одного накопителя (1806, 1807, 1808) электрической энергии, электрически соединенного с ним параллельно, до заданного диапазона. Для обеспечения указанного ограничения напряжения предлагаемая согласно изобретению электрическая цепь может содержать, например, импеданс, зависимый от напряжения и/или температуры.

В другом предпочтительном варианте осуществления по меньшей мере один из корректирующих элементов имеет по меньшей мере один электрически управляемый элемент (1907, 1911, 1913, 2002, 2007, 2011, 2018, 2024) и по меньшей мере один импеданс (1905, 1912, 2006, 2011, 2017), причем по меньшей мере один электрически управляемый элемент (1907, 1911, 1913, 2002, 2007, 2011, 2018, 2024) выполнен в виде электрического переключателя, имеющего по меньшей мере два состояния: одно с высокой электропроводностью и одно с низкой электропроводностью.

В особенно предпочтительном варианте осуществления по меньшей мере один электрически управляемый элемент (1907, 1911, 1913, 2002, 2007, 2011, 2018, 2024) выполнен в виде электрически управляемого импеданса.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления по меньшей мере один электрически управляемый элемент (1907, 1911, 1913, 2002, 2007, 2011, 2018, 2024) активируется электронным блоком управления.

В альтернативном варианте осуществления управление по меньшей мере одним электрически управляемым элементом (1907, 1911, 1913, 2002, 2007, 2011, 2018, 2024) осуществляется с помощью цепи, которая содержит по меньшей мере один элемент импеданса, который изменяет свое полное сопротивление в зависимости от внешних физических или химических воздействий.

В особенно предпочтительном варианте осуществления по меньшей мере один элемент импеданса, который изменяет свое полное сопротивление в зависимости от внешних физических или химических воздействий, имеет зависимое от напряжения или зависимое от температуры полное сопротивление.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления электронный блок управления, который управляет или регулирует по меньшей мере один корректирующий элемент (1809, 1810, 1811) блока (1817) накопления электрической энергии, подключен к по меньшей мере одной выходной линии по меньшей мере одного датчика напряжения, который определяет напряжение по меньшей мере одного накопителя (1806, 1807, 1808) электрической энергии соответствующего блока (1817) накопления электрической энергии.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления электронный блок управления, который управляет или регулирует по меньшей мере один корректирующий элемент (1809, 1810, 1811) блока (1817) накопления электрической энергии, подключен к по меньшей мере одной выходной линии по меньшей мере одного датчика температуры, который определяет температуру по меньшей мере одного накопителя (1806, 1807, 1808) электрической энергии соответствующего блока (1817) накопления электрической энергии.

Изобретение относится к преобразовательной технике. Устройство предназначено для источников электропитания и систем аккумулирования электрической энергии. Техническим результатом изобретения является экономия на компонентах и модулях за счет объединения нескольких накопителей электрической энергии в один модуль, а также упрощения управления и уменьшения потерь, которые возникают из-за большого количества отдельных модулей при активации модулей и передаче сигналов от модулей и к модулям с развязкой по постоянному току. Если традиционные системы аккумулирования, например батареи, предусматривают очень ограниченные электрические характеристики, например напряжение постоянного тока с напряжением, которое задается конструкцией батареи и состоянием заряда, то изобретение обеспечивает возможность предоставления, в определенных пределах, например при максимальном напряжении и максимальном токе, практически любых требуемых профилей тока и напряжения при отсутствии необходимости в наличии отдельной силовой электронной преобразовательной цепи. В то же время предлагаемая согласно изобретению электрическая цепь не только может снабжать энергией, но также и осуществлять прием энергии практически в любой форме и осуществлять зарядку встроенных в нее накопителей электрической энергии, например конденсаторов, батарей, аккумуляторных батарей и т.п., при сохранении в то же время заданных зарядных характеристик, например конкретных профилей тока и напряжения или профилей выходной мощности в зависимости от времени (например, постоянных, с подъемом с конкретным профилем или спадом с конкретным профилем). 9 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Электрическая цепь, которая содержит ряд электрически соединенных между собой модулей (101-124) одинакового типа, каждый из которых имеет по меньшей мере один накопитель (202, 204, 206, 302, 304, 306) электрической энергии или по меньшей мере один блок (1817) накопления электрической энергии и по меньшей мере два электрических переключателя (213-317, 318-328; 1801, 1802, 1803, 1804, 1812, 1813, 1814, 1815), которые обеспечивают возможность изменения связности по меньшей мере одного накопителя (202, 204, 206, 302, 304, 306) электрической энергии или по меньшей мере одного блока (1817) накопления энергии по отношению к накопителям (202, 204, 206, 302, 304, 306) энергии или блокам (1817) накопления энергии других модулей,

отличающаяся тем, что

по меньшей мере один модуль (101-124) содержит блок (1817) накопления электрической энергии, который имеет по меньшей мере два электрически последовательно соединенных накопителя (1806, 1807, 1808) электрической энергии, причем каждый из этих накопителей (1806, 1807, 1808) электрической энергии содержит корректирующий элемент (1809, 1810, 1811; 2336; 2431-2442; 2531, 2535, 2539; 2631, 2636, 2639), который выполнен с возможностью отведения электрического заряда от блока (1817) накопления энергии и/или направления электрического заряда в блок (1817) накопления энергии, так что некоторые из накопителей электрической энергии блока (1817) накопления энергии имеют меньший ток, проходящий через них, по сравнению с другими накопителями электрической энергии блока (1817) накопления энергии,

причем ряд модулей выполнены с возможностью выполнять подходящую активацию соответствующих по меньшей мере двух электрических переключателей (213-317, 318-328; 1801, 1802, 1803, 1804, 1812, 1813, 1814, 1815) для реализации по меньшей мере двух из следующих трех состояний:

по меньшей мере один накопитель (202, 204, 206, 302, 304, 306) электрической энергии или по меньшей мере один блок (1817) накопления электрической энергии модуля соединен последовательно с по меньшей мере одним накопителем (202, 204, 206, 302, 304, 306) электрической энергии или по меньшей мере одним блоком (1817) накопления электрической энергии другого модуля;

по меньшей мере один накопитель (202, 204, 206, 302, 304, 306) электрической энергии или по меньшей мере один блок (1817) накопления электрической энергии модуля соединен параллельно с по меньшей мере одним накопителем (202, 204, 206, 302, 304, 306) электрической энергии или по меньшей мере одним блоком (1817) накопления электрической энергии другого модуля;

по меньшей мере один накопитель (202, 204, 206, 302, 304, 306) электрической энергии или по меньшей мере один блок (1817) накопления электрической энергии модуля шунтирован так, что по меньшей мере один накопитель (202, 204, 206, 302, 304, 306) электрической энергии или по меньшей мере один блок (1817) накопления электрической энергии модуля имеет только не более одного из своих по меньшей мере двух электрических контактов, который подключен электропроводно к по меньшей мере одному накопителю (202, 204, 206, 302, 304, 306) электрической энергии или по меньшей мере одному блоку (1817) накопления электрической энергии другого модуля и нет замкнутой цепи с по меньшей мере одним накопителем (202, 204, 206, 302, 304, 306) электрической энергии или по меньшей мере одним блоком (1817) накопления электрической энергии другого модуля.

2. Электрическая цепь по п. 1, в которой по меньшей мере один корректирующий элемент (1809, 1810, 1811) электрически соединен параллельно с по меньшей мере одним накопителем (1806, 1807, 1808) электрической энергии.

3. Электрическая цепь по п. 2, в которой по меньшей мере один из корректирующих элементов (1809, 1810, 1811) ограничивает напряжение по меньшей мере одного накопителя (1806, 1807, 1808) электрической энергии, электрически соединенного с ним параллельно, до заданного диапазона.

4. Электрическая цепь по любому из пп. 2-3, в которой по меньшей мере один из корректирующих элементов имеет зависимый от напряжения или температуры импеданс.

5. Электрическая цепь по п. 2, в которой по меньшей мере один из корректирующих элементов имеет по меньшей мере один электрически управляемый элемент (1907, 1911, 1913, 2002, 2007, 2012, 2018, 2024) и по меньшей мере один импеданс (1905, 1912, 2006, 2011, 2017, 2023), причем по меньшей мере один электрически управляемый элемент (1907, 1911, 1913, 2002, 2007, 2012, 2018, 2024) выполнен в виде электрического переключателя, имеющего по меньшей мере два состояния: одно с высокой электропроводностью и одно с низкой электропроводностью.

6. Электрическая цепь по п. 1, в которой по меньшей мере один из указанных корректирующих элементов имеет по меньшей мере один электрический переключатель, который может периодически электропроводно подключать по меньшей мере один соединяющий узел для по меньшей мере двух накопителей электрической энергии к по меньшей мере одному выводу модуля.

7. Электрическая цепь по одному из пп. 4-6, в которой цепь дополнительно содержит по меньшей мере один электронный блок управления.

8. Электрическая цепь по п. 7, в которой по меньшей мере один электронный блок управления активирует по меньшей мере один корректирующий элемент.

9. Электрическая цепь по п. 8, в которой электрическая цепь дополнительно содержит по меньшей мере два датчика напряжения, которые определяют напряжение накопителей электрической энергии и посылают его в по меньшей мере один электронный блок управления.

10. Электрическая цепь по п. 7, в которой электронный блок управления, который управляет по меньшей мере одним корректирующим элементом (1809, 1810, 1811) блока (1817) накопления электрической энергии, подключен к по меньшей мере одной выходной линии по меньшей мере одного датчика температуры, который определяет температуру по меньшей мере одного накопителя (1806, 1807, 1808) электрической энергии соответствующего блока (1817) накопления электрической энергии.