СХЕМА АККУМУЛИРОВАНИЯ ЭНЕРГИИ, СИСТЕМА АККУМУЛИРОВАНИЯ ЭНЕРГИИ И СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ СХЕМЫ АККУМУЛИРОВАНИЯ ЭНЕРГИИ
ENERGY STORAGE ARRANGEMENT, ENERGY STORAGE SYSTEM AND METHOD FOR OPERATING ENERGY STORAGE ARRANGEMENT

Изобретение относится к схеме аккумулирования энергии, включающей в себя накопитель энергии, который через понижающий преобразователь и дроссельное устройство может подключаться к снабжению электрической энергией, и повышающий преобразователь. Кроме того, изобретение относится к системе аккумулирования энергии с несколькими из указанных вначале схемами аккумулирования энергии, а также к способу эксплуатации схемы аккумулирования энергии.
Приводимые в движение электричеством транспортные средства, как например рельсовые транспортные средства, такие как трамваи, зачастую оснащаются накопителями энергии. Накопители энергии служат для того, чтобы электрически аккумулировать энергию торможения при торможении и потом снова ее использовать для тягового режима. Сверх этого, накопители энергии создают условия для движения рельсовых транспортных средств без контакта с надземной линией и вследствие этого для автономного использования рельсовых транспортных средств без внешнего снабжения электрической энергией.
Из статьи "Использование новых накопителей энергии в трамваях" от доктора Михаэля Майнерта, опубликованной в журнале "ZEVrail", выпуск 132, 2008 года, протокол SFT Graz 2008, известен трамвай с мобильным накопителем энергии (см. приложенную фиг. 1, которая для упрощения изображена с одной фазой). В качестве накопителя энергии предлагается двухслойный конденсатор на 2 кВт*ч. При этом вспомогательный конденсатор и импульсный инвертор подключаются после сетевого фильтра, который соединен с внешним снабжением электрической энергией (см. страницу 75, фиг. 5 статьи). К повышающему и понижающему преобразователю импульсного инвертора подключен дроссель-регулятор, после которого подключен двухслойный конденсатор. В предложенном ошибочном подключении двухслойного конденсатора предусмотрено то, что двухслойный конденсатор заряжается на более низкий уровень напряжения, чем уровень напряжения снабжения электрической энергией.
Задача изобретения состоит в предоставлении схемы аккумулирования энергии с накопителем энергии, которая предоставляет в распоряжение сравнительно более высокую электрическую мощность, а также может реализовываться со сравнительно незначительными схемотехническими расходами.
В качестве решения этой задачи изобретение согласно пункту 1 формулы изобретения предлагает схему аккумулирования энергии, включающую в себя накопитель энергии, который через понижающий преобразователь и дроссельное устройство может подключаться к снабжению электрической энергией, и повышающий преобразователь, причем повышающий преобразователь расположен параллельно к накопителю энергии и к понижающему преобразователю, и накопитель энергии подходит для того, чтобы заряжаться на более высокий уровень напряжения, чем уровень напряжения снабжения электрической энергией.
Повышающий преобразователь служит для зарядки накопителя энергии предоставленным в распоряжение снабжением электрической энергией более низким напряжением, в то время как понижающий преобразователь служит для разрядки накопителя энергии.
Повышающий преобразователь согласно своему тактированию создает при включении закорачивание со снабжением электрической энергией, причем результирующий ток ограничивается дроссельным устройством. При выключении повышающего преобразователя согласно его тактированию дроссельное устройство поддерживает электрический ток и перенаправляет его через обратный диод понижающего преобразователя в накопитель энергии. Вследствие этого схема аккумулирования энергии позволяет заряжать накопитель энергии на более высокий уровень напряжения, чем уровень напряжения снабжения электрической энергией.
Дроссельное устройство посредством сглаживания токов отсоединяет сеть от накопителя энергии, что является предпочтительным.
Следовательно, при одинаковом номинальном токе соответствующая изобретению схема аккумулирования энергии может предоставлять более высокую электрическую мощность, так как электрическая мощность определена как произведение из тока и напряжения. Это является преимуществом, так как таким образом имеется в распоряжении более высокая электрическая мощность, например, для электрического привода транспортного средства.
Дальнейшим преимуществом соответствующей изобретению схемы аккумулирования энергии является то, что не требуется ни вспомогательный конденсатор, так как сам накопитель энергии предоставляет стабильное напряжение для переключения соответствующей изобретению схемы аккумулирования энергии, ни дроссель-регулятор. Вследствие этого сокращаются необходимое монтажное пространство, вес и производственные расходы соответствующей изобретению схемы аккумулирования энергии. В частности, при использовании схемы аккумулирования энергии в транспортном средстве благодаря более незначительному весу также сокращается энергопотребление в тяговом режиме.
В предпочтительном варианте осуществления соответствующей изобретению схемы аккумулирования энергии понижающий преобразователь на своем месте подключения для понижаемого напряжения соединен с накопителем энергии. Понижающий преобразователь в каждом случае имеет, по меньшей мере, одно место подключения для понижаемого напряжения и для пониженного напряжения. При этом под местом подключения для понижаемого напряжения следует понимать то место подключения понижающего преобразователя, к которому прикладывается сравнительно более высокое напряжение; напряжение же, которое было понижено посредством действия понижающего преобразователя, прикладывается к месту подключения для пониженного напряжения. Это является предпочтительным, так как понижающий преобразователь может использоваться для разрядки накопителя энергии, который заряжен на более высокий уровень напряжения в сравнении с напряжением снабжения электрической энергией. Дальнейшим преимуществом является то, что обратный диод понижающего преобразователя не блокируется при зарядке накопителя энергии на уровень напряжения снабжения электрической энергией.
В другом предпочтительном варианте осуществления соответствующей изобретению схемы аккумулирования энергии дроссельное устройство выполнено таким образом, что оно действует в качестве дросселя-регулятора и в качестве сетевого фильтра. Это является предпочтительным, так как достаточно одного единственного дроссельного устройства и не требуется сглаживающий дроссель и дополнительно дроссель-регулятор.
В дальнейшем предпочтительном варианте осуществления соответствующей изобретению схемы аккумулирования энергии перед накопителем энергии подключено предварительное зарядное устройство. Использование предварительного зарядного устройства предпочтительно, так как благодаря ему разряженный накопитель энергии может контролируемо предварительно заряжаться на уровень напряжения снабжения электрической энергией. Вследствие этого, исходя из предварительного заряженного накопителя энергии, обеспечивается правильная работа использованных понижающих преобразователей и повышающих преобразователей.
В усовершенствовании вышеупомянутого варианта осуществления соответствующей изобретению схемы аккумулирования энергии предварительное зарядное устройство расположено между понижающим преобразователем и накопителем энергии.
В другом усовершенствовании вышеупомянутого варианта осуществления соответствующей изобретению схемы аккумулирования энергии предварительное зарядное устройство расположено в электрической цепи выше дроссельного устройства.
В другом предпочтительном варианте осуществления соответствующей изобретению схемы аккумулирования энергии предварительное зарядное устройство имеет сопротивление предварительной зарядки и переключающее устройство предварительной зарядки. Это является преимуществом, так как сопротивление предварительной зарядки делает возможной контролируемую зарядку накопителя энергии, а переключающее устройство предварительной зарядки делает возможным включение и соответственно выключение предварительного зарядного устройства.
В другом предпочтительном варианте осуществления соответствующей изобретению схемы аккумулирования энергии ниже накопителя энергии в электрической цепи расположено предохранительное устройство. Это является предпочтительным, так как предохранительное устройство в случае неисправности предотвращает возникновение слишком высоких токов или слишком высоких напряжений и связанные с ними опасности.
В дальнейшем предпочтительном варианте осуществления соответствующей изобретению схемы аккумулирования энергии параллельно к предварительному зарядному устройству расположено переключающее устройство аккумулирования энергии. Посредством переключающего устройства аккумулирования энергии накопитель энергии может быстро и надежно включаться или выключаться, что является необходимым, например, в рамках работ технического обслуживания. Кроме того, предварительное зарядное устройство может закорачиваться.
В дальнейшем предпочтительном варианте осуществления соответствующей изобретению схемы аккумулирования энергии снабжение электрической энергией включает в себя сеть железнодорожного электроснабжения. Это предпочтительно, так как, в частности, при запитанных от электротяговой сети мобильных и/или стационарных (например, на зарядных станциях/остановочных пунктах) схемах аккумулирования энергии требуется наиболее высокая электрическая мощность для приведения в движение рельсовых транспортных средств; это достигается благодаря находящемуся выше уровня напряжения электротяговой сети уровню напряжения схемы аккумулирования энергии.
В другом предпочтительном варианте осуществления соответствующей изобретению схемы аккумулирования энергии накопитель энергии включает в себя мобильный накопитель энергии транспортного средства. Это является преимуществом, так как транспортное средство, как например рельсовое транспортное средство, нуждается в высокой электрической мощности, для того чтобы была возможность осуществлять движение без внешнего снабжения электрической энергией. Благодаря соответствующей изобретению схеме аккумулирования энергии возникает высокая мощность при сравнительно более незначительном весе и сравнительно более незначительном монтажном месте, чем при известных схемах аккумулирования энергии. Дальнейшим преимуществом является то, что благодаря более незначительному монтажному месту и сравнительно простому монтажу возникают более незначительные расходы при изготовлении.
В дальнейшем предпочтительном варианте осуществления соответствующей изобретению схемы аккумулирования энергии накопитель энергии включает в себя стационарный накопитель энергии. При этом речь может идти, например, о двухслойном конденсаторе на зарядной станции для электромобиля или электрического рельсового транспортного средства, который запитывается от обычной питающей линии электрической сети низкого напряжения и благодаря соответствующей изобретению схеме аккумулирования энергии может заряжаться на более высокий уровень напряжения, чем уровень напряжения питающей линии. Это является преимуществом, так как вследствие этого за короткое время может предоставляться высокая электрическая мощность для зарядки электромобилей или электрических рельсовых транспортных средств.
В дальнейшем предпочтительном варианте осуществления соответствующей изобретению схемы аккумулирования энергии накопитель энергии включает в себя электрохимический накопитель энергии и/или электрический накопитель энергии и/или ионистор. Электрохимическим накопителем энергии может быть, например батарея. Использование электрохимического накопителя энергии является предпочтительным, так как электрохимические накопители энергии могут аккумулировать большое количество электрической энергии. Другим преимуществом электрохимических накопителей энергии является то, что они могут рассчитываться таким образом, что даже при максимальной разрядке электрохимических накопителей энергии остаточное напряжение электрохимических накопителей энергии находится все еще выше питающего напряжения; таким образом, все содержание энергии может забираться при помощи понижающего преобразователя. Говоря об электрическом накопителе энергии, речь может идти, например, о двухслойном конденсаторе. Использование электрического накопителя энергии является предпочтительным, так как он может заряжаться и разряжаться за наиболее короткое время и потому, например, в электрическом рельсовом транспортном средстве может за короткое время предоставлять в распоряжение большие количества энергии для процессов ускорения. Наряду с двухслойным конденсатором также возможно использование ионистора или гибридного конденсатора. В принципе все типы накопителей энергии могут быть созданы между собой из нескольких модулей, которые соединены параллельно и/или последовательно.
В дальнейшем предпочтительном варианте осуществления соответствующей изобретению схемы аккумулирования энергии выше дроссельного устройства в электрической цепи расположено устройство выключения сети. Устройство выключения сети при необходимости отключает схему аккумулирования энергии от снабжения электрической энергией или подключает его. Это является предпочтительным, так как таким образом благодаря устройству выключения сети в случае неисправности или при техническом обслуживании обеспечено быстрое включение и выключение энергоснабжения.
Согласно дальнейшему аспекту данного изобретения предлагается система аккумулирования энергии, у которой несколько соответствующих изобретению схем аккумулирования энергии соединены параллельно. Это является преимуществом, так как благодаря использованию нескольких схем аккумулирования энергии при выходе из строя одного преобразователя электрическая мощность может по-прежнему предоставляться остальными преобразователями и соответствующим оставшимся накопителем энергии. В предпочтительном усовершенствовании вышеупомянутого варианта осуществления соответствующей изобретению системы аккумулирования энергии соединенные параллельно схемы аккумулирования энергии могут подключаться к сети снабжения электрической энергией при помощи одного общего сглаживающего дросселя. Это является преимуществом, так как требуется лишь одно дроссельное устройство, и таким образом несколько дроссельных устройств могут исключаться. Это сокращает производственные расходы и уменьшает место монтажа системы аккумулирования энергии, что экономит затраты как при изготовлении, так и при эксплуатации.
В другом предпочтительном усовершенствовании вышеупомянутой соответствующей изобретению системы аккумулирования энергии соединенные параллельно схемы аккумулирования энергии могут подключаться к сети снабжения электрической энергией в каждом случае при помощи одного сглаживающего дросселя. Это является преимуществом, так как благодаря использованию в каждом случае одного сглаживающего дросселя для каждого накопителя энергии накопители энергии могут электрически нагружаться в каждом случае по-разному. Вследствие этого могут также использоваться различные типы накопителей энергии, которые например в каждом случае имеют различное максимальное напряжение.
Далее предметом данного изобретения является способ эксплуатации схемы аккумулирования энергии, включающей в себя накопитель энергии, который через понижающий преобразователь, причем накопитель энергии подключен к месту подключения для понижаемого напряжения понижающего преобразователя, и через дроссельное устройство может подключаться к снабжению электрической энергией, и расположенный параллельно к накопителю энергии и к понижающему преобразователю повышающий преобразователь, причем в соответствующем изобретению способе предусмотрено, что
- накопитель энергии заряжается благодаря тому, что повышающий преобразователь включается для закорачивания снабжения электрической энергией согласно своему тактированию, причем результирующий ток ограничивается при помощи дроссельного устройства, и повышающий преобразователь выключается согласно своему тактированию, причем электрический ток при помощи дроссельного устройства направляется в накопитель энергии;
- накопитель энергии разряжается благодаря тому, что при помощи понижающего преобразователя выходное напряжение накопителя энергии понижается до уровня напряжения снабжения электрической энергией. Соответственно возникают такие же преимущества, которые были ранее описаны для соответствующей изобретению схемы аккумулирования энергии.
В предпочтительном усовершенствовании соответствующего изобретению способа накопитель энергии при помощи предварительного зарядного устройства предварительно заряжается до уровня напряжения снабжения электрической энергией. Соответственно возникают такие же преимущества, которые были ранее описаны для соответствующей изобретению схемы аккумулирования энергии.
На чертежах на схематичном изображении показаны:
фиг. 1 – схема аккумулирования энергии согласно уровню техники;
фиг. 2 - вариант осуществления соответствующей изобретению схемы аккумулирования энергии;
фиг. 3 - вариант осуществления соответствующей изобретению системы аккумулирования энергии; и
фиг. 4 - другой вариант осуществления соответствующей изобретению системы аккумулирования энергии.
На фиг. 1 на упрощенном однофазном изображении показана известная из статьи "Использование новых накопителей энергии в трамваях" (с. 75, фиг. 5) от доктора Михаэля Майнерта схема аккумулирования энергии, которая выполнено трехфазной при помощи импульсного инвертора. При этом снабжение 2 электрической энергией, как например сеть железнодорожного электроснабжения, соединено через устройство 3 выключения сети и сглаживающий дроссель 4 с вспомогательным конденсатором 6.
Параллельно к вспомогательному конденсатору 6 предусмотрено последовательное соединение из понижающего преобразователя 5 и повышающего преобразователя 11. Говоря о повышающем и понижающем преобразователе 5, 11, речь идет, например, об управляемых полупроводниковых элементах, таких как БТИЗ (биполярный транзистор с изолированным затвором). Понижающий преобразователь 5 на своем месте подключения для понижаемого напряжения соединен с дроссельным устройством 4 и соответственно со снабжением 2 электрической энергией.
Между понижающим преобразователем 5 и повышающим преобразователем 11 подключен дроссель-регулятор 7, ниже которого в электрической цепи расположено переключающее устройство 8 аккумулирования энергии. Говоря о переключающем устройстве 8 аккумулирования энергии, речь идет об управляемом выключателе. Ниже переключающего устройства 8 аккумулирования энергии в электрический цепи расположен накопитель 9 энергии. Говоря о накопителе 9 энергии, речь идет, например, об электрическом накопителе энергии, как например двухслойном конденсаторе, и/или об электрохимическом накопителе энергии, как например аккумуляторной батарее, и/или о ионисторе. Ниже накопителя 9 энергии в электрической цепи расположено предохранительное устройство 10.
Дроссель-регулятор 7, переключающее устройство 8 аккумулирования энергии, накопитель 9 энергии и предохранительное устройство 10 соединены последовательно относительно друг друга и параллельно к повышающему преобразователю 11. Вспомогательный конденсатор 6, повышающий преобразователь 11 и предохранительное устройство 10 подключены параллельно и соединены со сборной шиной 12.
Теперь в дальнейшем будет кратко разъясняться принцип работы схемы 1 аккумулирования энергии. Устройство 3 выключения сети при необходимости отключает накопитель энергии и оставшуюся часть схемы от снабжения 2 электрической энергией. Сглаживающий дроссель 4 посредством сглаживания токов отсоединяет снабжение 2 электрической энергией от накопителя 9 энергии. Вспомогательный конденсатор 6 выполнен в виде конденсатора промежуточного контура и обеспечивает стабильное напряжение, чтобы повышающий преобразователь и понижающий преобразователь могли испускать соответствующие импульсы. Понижающий преобразователь 5 служит для зарядки накопителя 9 энергии. При этом снабжение 2 электрической энергией имеет более высокое напряжение, чем максимальное зарядное напряжение накопителя 9 энергии. Следовательно, понижающий преобразователь 5 служит для того, чтобы устанавливать в цепи тока накопителя 9 энергии необходимый зарядный ток. Повышающий преобразователь 11 служит для разрядки накопителя 9 энергии; так что накопитель 9 энергии, несмотря на свое по сравнению со снабжением 2 электрической энергией более низкое напряжение, может запитывать снабжение 2 электрической энергией. Переключающее устройство 8 аккумулирования энергии служит для отключения накопителя 9 энергии, например, с целями технического обслуживания. Предохранительное устройство 10 ограничивает ток в случае неисправности.
В показанном на фиг.2 варианте осуществления соответствующей изобретению схемы 20 аккумулирования энергии повышающий преобразователь 11 подключен параллельно к последовательному соединению из понижающего преобразователя 5 и накопителя 9 энергии. Расположенное в электрической цепи выше обоих преобразователей 5, 11 дроссельное устройство 4 в соответствующей изобретению схеме 20 аккумулирования энергии служит как в качестве сглаживающего дросселя, так и в качестве дросселя-регулятора. Ниже понижающего преобразователя 5 в электрической цепи подключены накопитель 9 энергии и предохранительное устройство 10, причем понижающий преобразователь 5 соединен с накопителем 9 энергии на своем месте подключения для понижаемого напряжения. Между понижающим преобразователем 5 и накопителем 9 энергии предусмотрено переключающее устройство 8 аккумулирования энергии, параллельно к которому подключено предварительное зарядное устройство 21. Предварительное зарядное устройство 21 состоит из сопротивления 22 предварительной зарядки и переключающего устройства 23 предварительной зарядки. Теперь в дальнейшем будет кратко разъясняться принцип работы схемы 20 аккумулирования энергии.
Понижающий преобразователь 5 в противоположность к варианту осуществления уровня техники согласно фиг. 1 своей входной стороной не соединен более с дроссельным устройством 4 и с подключенным к нему снабжением 2 электрической энергией, а подключен к накопителю 9 энергии. Понижающий преобразователь служит теперь не для зарядки накопителя 9 энергии, а для разрядки. Он испускает такие импульсы, что более высокое напряжение накопителя адаптируется к более низкому напряжению снабжения 2 электрической энергией таким образом, что устанавливается необходимый разрядный ток. Для этого могут использоваться различные известные в уровне техники способы тактирования.
Повышающий преобразователь 11 согласно фиг.2 своей выходной стороной подключен через дроссельное устройство 4 к снабжению 2 электрической энергией и служит для зарядки накопителя 9 энергии. При включении повышающий преобразователь 11 создает закорачивание со снабжением 2 электрической энергией; результирующий ток ограничивается дроссельным устройством 4. При выключении дроссельное устройство 4 поддерживает электрический ток и перенаправляет его через обратный диод понижающего преобразователя 5 в накопитель, так что он заряжается, несмотря на то, что напряжение снабжения 2 электрической энергией меньше чем уровень напряжения накопителя 9 энергии. Для этого могут также использоваться различные известные способы уровня техники для тактирования. Предварительное зарядное устройство 21 требуется в том случае, если уровень напряжения накопителя 9 энергии находится ниже напряжения снабжения 2 электрической энергией. Этот случай может иметь место, например, ввиду разрядки для целей технического обслуживания. Накопитель 9 энергии должен сначала заряжаться, чтобы преобразователи могли работать предусмотренным образом. Благодаря предварительному зарядному устройству накопитель 9 энергии может контролируемо заряжаться до напряжения снабжения 2 электрической энергией. В изображенном на фиг. 2 примере осуществления предварительное зарядное устройство установлено между понижающим преобразователем 5 и накопителем 9 энергии. Тем не менее, альтернативно предварительное зарядное устройство может быть также подключено в электрической цепи выше дроссельного устройства 4 или устройства 3 выключения сети. Для сглаживания токов со стороны сети может предусматриваться не изображенное на фиг. 2 фильтрующее устройство, которое образуется, например, из фильтрующего конденсатора и вместе с дроссельным устройством 4 достигает необходимого фильтрующего действия, причем дроссельное устройство 4 служит как в качестве сглаживающего дросселя, так и в качестве дросселя-регулятора.
В противоположность к известной схеме 1 аккумулирования энергии согласно фиг.1 вспомогательный конденсатор не требуется, так как сам накопитель 9 энергии предоставляет стабильное напряжение для переключения преобразователей 5, 11. Дальнейшим преимуществом является то, что не требуется дроссель-регулятор 7, как это предусмотрено на фиг. 1, так как эта функция принимается дроссельным устройством 4.
Благодаря модифицированному расположению повышающего преобразователя 11 и понижающего преобразователя 5 согласно фиг.2 создаются по сравнению с фиг. 1 условия для повышения уровня напряжения накопителя 9 энергии над уровнем напряжения снабжения 2 электрической энергией. Сверх этого, исключаются вспомогательный конденсатор и дроссель-регулятор, что сокращает производственные расходы и расходы на техническое обслуживание, а также уменьшает вес и размеры конструктивных блоков.
В изображенном на фиг.3 варианте осуществления соответствующей изобретению системы 30 аккумулирования энергии три схемы 31, 32 и 33 аккумулирования энергии подключены совместно через одно дроссельное устройство 4 к снабжению 2 электрической энергией. При этом на фиг.3, также как и на фиг.4, выбран другой способ изображения, чем на фиг.1 и 2, для того чтобы была возможность изображать систему с несколькими схемами 31-33 аккумулирования энергии легче и проще. Вследствие этого одинаковый уровень напряжения и одинаковый электрический ток обеспечивается для всех накопителей 9 энергии в системе 30 аккумулирования энергии. Преимуществом этой схемы является то, что благодаря совместному использованию одного дроссельного устройства 4 исключаются дальнейшие дроссельные устройства для каждого отдельного накопителя 9 энергии. Дальнейшим преимуществом является то, что один неисправный преобразователь не приводит к полному выходу из строя системы 30 аккумулирования энергии, так как оставшимися преобразователями 5, 11 может оказываться содействие оставшимся накопителям 9 энергии.
В варианте осуществления соответствующей изобретению системы 40 аккумулирования энергии согласно фиг. 4 для каждой схемы 44, 45 и 46 аккумулирования энергии в каждом случае предусматривается одно дроссельное устройство 41, 42 и 43. Это имеет то преимущество, что накопители 9 энергии могут заряжаться на различные уровни напряжения. Это является преимуществом, в частности, вследствие того, что накопители 9 энергии могут нагружаться в каждом случае по-разному, и также в каждом случае могут использоваться различные типы накопителей энергии в трех схемах 44, 45 и 46 аккумулирования энергии. Например, говоря об одном из накопителей энергии 9, речь может идти об электрохимической аккумуляторной батарее, в то время как, говоря о дальнейших накопителях 9 энергии, речь может идти о двухслойных конденсаторах.