用于电网到车辆的电池充电的装置和方法
【技术领域】
[0001]本公开一般涉及用于对电池充电的装置和方法，并且更具体来说，涉及用于通过来自交流源(诸如电网连接)的电压对混合动力或电动车辆(诸如汽车)的电池充电的装置和方法。
【背景技术】
[0002]常规的单向充电器由三个平台构成。图1示出常规充电器的功率电路示意图100。第一常规平台102是交流到直流(AC-DC)二极管整流器平台，第二平台104是功率因数校正平台，并且第三平台106是隔离的直流到直流(DC-DC)转换器平台。
[0003]第一平台102用于将AC正弦电流108转换为DC整流的正弦电流。第二平台104用于使得输入电流成形。第三平台106用于调节将提供给电池(未示出)的输出电压110。第三平台106包括用于电流隔离的隔离变压器112。
[0004]所示的常规充电器100还可以在电路的任一端包括电磁干扰(EMI)过滤器114、116，如图所示。
[0005]充电器100还包括相对大且笨重的中间DC总线电容器118。电容器118用于存储来自输入线路108的低频和高频波动能量，以用于将纯DC输出提供给电池侧一一S卩，电容器118将AC功率过滤为DC功率。高频波动由所需的高频切换产生，并且低频波动是由于在功率因数校正平台104之后的线路频率约两倍下的第二谐波频率分量。
[0006]因此，电容器118可以被视为用作用于DC-DC转换器106的恒电压源的DC电压输入源。
[0007]常规充电器100的缺点包括由于笨重的DC电容器110而使得其较大尺寸和成本，以及由于功率必须被处理通过的多个平台中的损耗而导致的较低效率。
[0008]常规充电器100的另一个缺点在于它们由于笨重的电解质电容器118而具有较低的可靠性。这些电容器由于电介质的变干而具有有限的寿命。
[0009]常规充电器100的又一个缺点在于它们需要两平台控制:(1)输入电流成形和DC链路电压调节的控制一一即，使得横跨笨重的DC电容器118的电压稳定，以及(2)输出电压和电流的控制。本发明新颖地将单平台控制用于输入电流成形和输出电压和电流控制，从而大大简化充电装置和过程。
[0010]本发明的技术解决常规系统的以上和其他缺点。
【发明内容】
[0011]如所提供，本公开一般涉及用于对电池充电的装置和方法，并且更具体来说，涉及用于通过来自交流源(诸如电网连接)的电压对混合动力或电动车辆(诸如汽车)的电池充电的装置和方法。
[0012]该布置新颖地不包括常规系统的相对大且笨重的DC总线电解质电容器，并且包括电路并控制以提供约两倍的线路频率的可控充电电流。测试显示与通过纯DC电流充电时相比，当通过具有叠加的AC分量的DC电流充电时，优选的现代电池(例如，Li离子)在充电循环期间具有较低的容量降级。因此，本发明技术由于与提供叠加有约两倍线路频率分量的DC相关的较低电池阻抗而提供改进的电池寿命和更有效的充电。
[0013]本发明技术的其他方面将是部分地显而易见的并且在下文中部分地指出。
【附图说明】
[0014]图1示出常规充电器的功率电路示意图。
[0015]图2示出根据本公开的第一实施例的改进的功率电路示意图，该图示出隔离的单向充电器拓扑。
[0016]图3示出用于控制图2的隔离的单向充电器拓扑中的开关的示例性时序图。
[0017]图4示出用于控制图2的隔离的单向充电器的示例性控制图。
[0018]图5示出展示与图2的隔离的单向充电器的操作相关的数据的第一图表，所述数据代表单位功率因数操作。
[0019]图6示出展示与图2的隔离的单向充电器的操作相关的数据的第二图表，所述数据代表以安培(或者amp、A)为单位测量的充电器输出电流，其具有约两倍线路频率的波动。
[0020]图7示出展示与图2的隔离的单向充电器的操作相关的数据的第三图表，所述数据代表以伏特(V)为单位测量的充电器输出电压，其具有约两倍线路频率的小波动。
[0021]图8示出根据本公开的第二实施例的第二改进的功率电路示意图，其展示隔离的单向充电器拓扑。
[0022]图9示出用于控制图8的隔离的单向充电器拓扑中的开关的示例性正循环时序图。
[0023]图10示出用于控制图8的隔离的单向充电器拓扑中的开关的示例性负循环时序图。
[0024]图11示出用于控制图8的隔离的单向充电器的示例性控制图。
[0025]图12示出展示与图8的隔离的单向充电器的操作相关的数据的第一图表，所述数据代表单位功率因数操作。
[0026]图13示出展示与图8的隔离的单向充电器的操作相关的数据的第二图表，所述数据代表以安培(或者amp、A)为单位测量的充电器输出电流，其具有约两倍线路频率的波动。
[0027]图14示出展示与图8的隔离的单向充电器的操作相关的数据的第三图表，所述数据代表以伏特(V)为单位测量的充电器输出电压，其具有约两倍线路频率的小波动。
[0028]图15示出根据本公开的第三实施例的另一个改进的功率电路示意图，其展示隔离的单向充电器拓扑。
[0029]图16示出用于控制图15的隔离的单向充电器拓扑中的开关的示例性时序图。
[0030]图17示出用于控制图15的隔离的单向充电器的示例性控制图。
[0031]图18示出展示与图15的隔离的单向充电器的操作相关的数据的第一图表，所述数据代表单位功率因数操作。
[0032]图19示出展示与图15的隔离的单向充电器的操作相关的数据的第二图表，所述数据代表以安培(或者amp、A)为单位测量的充电器输出电流，其具有约两倍线路频率的波动。
[0033]图20示出展示与图15的隔离的单向充电器的操作相关的数据的第三图表，所述数据代表以伏特(V)为单位测量的充电器输出电压，其具有约两倍线路频率的小波动。
[0034]为了说明的简化和清晰，图中所示的元件不必按比例绘制。例如，为了清晰起见，可以将一些元件的尺寸相对于其他元件进行夸大。另外，在认为适当的情况下，在各图之间可以重复参考数字以指示对应或相似的元件。
【具体实施方式】
[0035]如所需要，本文披露本公开的详细实施例。所披露的实施例仅是可以用各种和替代形式实施的实例以及其组合。如本文所使用，例如、“示例性”以及类似术语可扩展地指代用作说明、样本、模型或模式的实施例。
[0036]描述将被广泛地认为在描述的精神内。例如，本文中对任何两个部分之间的连接的提及涵盖两个部分彼此直接或间接连接。如另一个实例，本文诸如结合一个或多个功能所描述的单个部件应解释为涵盖其中替代地使用多于一个部件来执行所述功能的实施例。反之亦然，即，本文结合一个或多个功能对多个部件的描述应解释为涵盖其中单个部件执行所述功能的实施例。
[0037]附图不必按比例并且一些特征可以被夸大或最小化，诸如以展示具体部件的细
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[0038]在一些情况下，不详细描述熟知部件、系统、材料或方法以避免混淆本公开。因此，本文披露的特定结构和功能细节不被解释为限制性的，而仅作为用于权利要求的基础并且作为用于教示本领域技术人员使用本公开的典型基础。
[0039]1.公开概述
在各个实施例中，本公开描述减少用于对插入式混合动力和电动车辆的电池充电的电池充电器的尺寸、质量和成本的装置和方法。这些和其他益处部分地通过最小化用于常规系统中的直流(DC)总线滤波电容器来实现。
[0040]虽然本公开的教示可以适用于其他类型的充电器装置，但是本公开在本文主要描述单向机载(例如，车载)电池充电器。
[0041]该装置并不使用常规的、笨重的DC总线电解质电容器，而是提供具有可变DC分量和约两倍输入线路频率的A C分量的可控充电电流。
[0042]已经发现，与在接收纯DC充电电流时相比，现代可再充电电池(例如，锂离子(Li离子)电池)在接收叠加有具有在优选范围内的频率和振幅的AC分量的DC充电电流时明显地反应顺利。
[0043]现在进一步发现，通过能够直接进入这些现代电池的正弦充电电流，波动功率(即，上面叠加有AC电流的DC电流，该AC电流具有约两倍的线路频率)现在可以从源直接传递到负载。这使得能够仅使用小DC链路电容器以存储高频(HF)波动能量，从而消除对常规充电器的用于低频波动能量存储的相对大且笨重的电解质电容器的需要。
[0044]常规的DC总线电解质电容器(例如，图1的电容器118)帮助将输入AC功率转换和过滤为纯DC输出功率。本发明技术的电路消除常规的DC总线电解质电容器。与提供纯DC输出功率相反，新颖电路通过执行较少过滤将输入AC功率转换为具有相对大的波动、约两倍线路频率的输出DC功率。
[0045]根据本发明的技术，最小化DC链路电容器并且提供适当的支持电路(包括控制电路)具有包括与常规充电器相比实现较小、较低质量以及较低成本充电器的益处。DC链路电容器通过移除用于低频波动能量存储的常规大DC链路电解质电容器被最小化。
[0046]本发明技术的益处还包括由于电解质电容器的消除而增加的可靠性以及由于有效且高效地提供具有低频波动的充电电流的能力而导致的电池充电效率和电池寿命的提高。例如，已经发现与接收纯DC电流相比，锂离子电池在接收具有低频波动的充电电流时提供较低的有效阻抗。
[0047]I1.图2—一根据第一实施例的功率电路
再次转向附图并且更具体来说转向第二图，图2示意性地示出根据本公开的第一实施例的改进的功率电路200，该功率电路包括隔离的单向充电器202的拓扑。
[0048]如下文进一步描述，电路可以视为包括由高频电容器208分开的两个主要平台，交流到直流(AC-DO204平台和DC-DC平台206。平台的切换由一个或多个控制器部件210控制。以下结合本公开的图2以及图3和4来进一步描述控制电路。
[0049]示意图200还示出交流(AC)电压输入或终端212。电压212由AC电压源(未详细示出)提供。该源是任何适当的AC电压源，诸如家庭或燃料站处的AC电压源，并且可以包括AC发电机。
[0050]—些实施中的源可以包括智能型能量网或电网或者是其一部分。虽然输入电压在本文有时可以称为电网电压，但是源包括发电机或者任何足够水平的AC电压源。
[0051]继续参照图2，可以看到充电器202的第一平台204包括单相二极管整流器214。在操作中，整流器电路或整流器214整流AC输入电压212。例如，整流器214整流输入AC电压212并且功率因数校正电路224提供输入电流成形。
[0052]虽然整流器214可以包括其他配置和数量的二极管，但是在所示实施中，整流器214包括如图所布置的四个二极管216、218、220、222。
[0053]充电器202的第一平台204进一步包括功率因数校正(PFC)子电路224。在充电器202的操作中，PFC子电路224补充整流器子电路214以符合电流谐波限制。
[0054]在图2的实施中，PFC子电路224包括升压电感器226(1^.*)。
[0055]PFC子电路224还被展示为包括PFC开关228。以下进一步描述开关228的操作和每个所示开关。PFC子电路224还被展示为包括PFC 二极管230。
[0056]如所提供，PFC电路224和先前的单相二极管整流器214可以被视为第一AC-DC平台204(在图2中由虚线指示)的部分。
[0057]在一些实施例中，开关(228、232等)中的一个或多个是半导体设备或晶体管(诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(M0SFET))的部分或者包括半导体设备或晶体管。晶体管将包括二极管，如在图2的细节中在代表开关的图标中所示。
[0058]如还提供，充电器202包括连接AC-DC平台204和DC-DC平台206的高频(HF)电容器208(例如，HF DC链路电容器)。在充电器202的操作中，能量可以由一次绕组漏电感产生。HFDC链路电容器208提供用于与此能量相关的电流的快速恢复式整流路径。
[0059]参照图2中的第二DC-DC平台206，功能包括有效地用作全桥直流到直流(DC-DC)转换器。平台206包括多个开关。虽然平台206可以包括其他布置和数量的开关，但是在所示实施例中，平台包括四个开关232、234、236、238。
[0060]如图2的实施例中进一步示出，DC-DC平台206还包括高频(HF)变压器242。在操作中，HF变压器242提供用于平台206的电气隔离，并且可以称为隔离