专利名称：用于电气车辆的快速充电设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及电气车辆的电池的充电，特别涉及安装在车辆中的充电设备，该设备 使得直接由三相或单相供电网络对电池进行再充电成为可能。
背景技术：
电气车辆的主要缺点之一涉及其可用性。实际上，当其电池被放电时，电气车辆在 整个可长达几小时的再充电时间段内保持不可用。为了减小电池再充电时间，通过增大从网络取得的电流来增大充电电力是已知 的。还已提出，从三相网络而不是从单相网络取得此电流，充电电力在电流从三相供电网络 取得时较大。文献JP 08 308 255介绍了一种设备，该设备使得直接由单相网络对电池进行充 电成为可能。此设备允许在不使用接触器的情况下进行再充电。因此，其使用少量部件制 造。例如，可使用电感器和两个二级管。然而，供电网络电流经过的电感对于较高的充电电力可能变得很大。于是，有必要 使用具有增大的容量的电感。现在，对于给定的技术，电感的体积在其值增大的同时增大。 这种类型的设备的使用因此涉及多种主要缺点，这主要是因为其对于高充电电力具有较大 的占地面积。另外，当设备在单相网络上运行时，来自将被充电的电池的电压必须高于整流 网络的电压。日本文献JP 2002/293 499介绍了一种并入的三相充电器。然而，仍然必须使用 接触器以便从牵引模式切换到对于电气车辆的电池的再充电模式。此充电器还使用用于 三相网络的二极管整流器，其产生位于大多数电能分配者设置的限制值以外的大量电流谐 波。
发明内容
因此，本发明的目的在于解决上面提到的缺点，特别是提出一种并入式充电设备， 该设备使得直接由单相或三相网络对机动车电池进行充电成为可能，并在不使用任何接触 器的情况下做到这一点。因此，根据第一实施形态，本发明的主题为一种用于对电池充电的设备，其包含 整流器输入级，其被设计为连接到供电网络；变换器输出级，其被设计为连接到电池。该设备包含一装置，该装置将从输入级获得的平均电流调节为根据由供电网络供 给的最大电流并根据大于将由输入级整流的最大电压和电池电压之间比值的因子计算的 电流值。优选为，该设备包含连接装置，连接装置能够将整流器输入级直接连接到三相供 电网络或单相供电网络。 还可以将整流器输入级连接到交流或 流单相供电网络。
有利的是，输入级包含至少一个续流二极管。
续流二极管——其可在功能上消除，以便有利于输入级的臂的短路——提供了减 少耗散损耗的优点。实际上，二极管中的损耗比电流必须在串联的两个二级管和两个晶体 管中流通时小得多。其还提供了在控制的任何偏差或丧失时处于运行安全等级的优点。实 际上，该过程限制为命令阻塞所有晶体管，来自定子线圈的电流于是可通过此二级管继续 流通。有利的是，该装置可包含控制输入级的第一装置和控制输出级的第二装置，第二 装置能够控制输出级，控制整流器输入级的第一装置独立于控制变换器输出级的第二装置。有利的是，第一控制装置包含调节环或用于控制输入级的开关控制信号的占空比 的装置。例如，整流器输入级根据其受到控制的占空比对应于晶体管致动占空比。用于对电池进行充电的设备被设计为安装在包含至少一个电气牵引设备——即 至少包含电动机和变换器的设备——的机动车中。有利的是，用于对电池充电的设备的变 换器输出级可由车辆牵弓丨系统的变换器级构成。通过这种方式，充电设备因此完全包含在该设备中，不需要使用附加的变换器输 出级，如果使用已经存在于车辆的变换器级的话。因此，可以廉价地设计设施的充电点，充 电点仅仅为供电网络的输出插头。另外，设施网络的成本减少，带来了增大充电点的散布的 可能性，提供了车辆使用者的更好的覆盖范围。有利的是，该设备可包含安装在车辆中的滤波装置，该装置能够对由该设备提取 的来自供电网络的电流进行滤波。从三相供电网络提取的电流实质上可由输入电容器以及由电磁兼容(EMC)滤波 器进行滤波，使得此电流满足网络连接限制的谐波掩蔽(mask)。另外，电气车辆的定子线圈的电感可用作能量缓冲滤波器。实际上，当充电电力高 时，这样的电感和/或电容性滤波器所占据的体积和重量会变得不能安装在机动车上。例 如，对于用于在400V三相网络上对电池进行充电的63A(63安培)且用于250V到400V范 围内的电池电压的设备，电感和/或电容性滤波器的重量可能为大约30公斤，并可能占据 车辆中大约20升的体积。根据另一实施形态，在一实施方式中，提出了一种电池充电方法。此方法包含，关于从由供电网络供给的最大电流产生的电流值以及根据至少等于 由整流器输入级整流的最大电压与电池电压之间比值的因子，调节从整流器输入级获得的 平均电流。有利的是，输入级直接连接到三相供电网络或单相供电网络。换句话说，输入级被连接到三相或单相供电网络，而不使用任何接触器。因此，可 以确保充电和牵引模式中的运行，而不必使用从一种配置切换到另一种的接触器。另外，输入级可直接连接到直流单相供电网络。有利的是，允许来自变换器输出级的电流在至少一个续流二极管中流通。因此，定子线圈的输出的电流可继续在续流二极管中流通。优选为，通过控制用于输入级的开关控制信号的占空比或通过调节环，整流器输 入级受到控制，整流器输入级的控制独立于变换器输出级的控制。
从供电网络吸收的电流于是可通过将通过整流器输入级的晶体管的控制施加的 脉冲占空比——也就是说，电流持续时间——受到控制。该方法还包含使用并入的滤波装置对该设备从供电网络吸收的电流进行滤波。
在阅读本发明一实施例的详细介绍并研究附图的情况下将明了本发明的其它优 点和特征，实施例不对本发明进行限制，在附图中图1原理性地示出了根据一实施例的电池充电设备；图2示出了电池充电设备的一实施例；图3A示出了示例性的调节装置；图3B示出了示例性的调节装置；图4原理性示出了由单相供电网络供电的用于电池的充电设备；图5原理性地示出了由DC电压供电的电池充电设备；图6示出了电池充电设备的另一实施方式；图7示出了根据一实施形态对电池进行充电的方法的流程图。
具体实施例方式图1原理性地示出了设备1，其由供电网络3供电，对具有电气牵引系统的车辆的 电池2进行充电。此充电设备1为并入式设备，也就是说，安装在车上。其被设计为处理电池的充 电，以便供给推进必须的能量。其还被设计为确保电池的充电来自单相供电网络或三相供 电网络。充电设备1包含连接装置4，其使得可以将充电设备1连接到供电网络3。例如， 合适的连接装置可以为可从Schneider-Electric购买的63A PK系列工业插头。其他类似 的插头也可能是合适的。其还包含滤波装置5，该装置使得可以对由设备1从供电网络取得 的电流进行滤波。该设备还包含整流器输入级6，其耦合到滤波装置5的输出并使得可以对从供电 网络3取得的交流电流进行整流；变换器输出级7，其连接到电池2。输入级6和输出级7 受到第一与第二相应的控制装置8和9的控制。在第一实施例中，输入级6和输出级7可以以从属的方式受到第一与第二相应的 控制装置8和9的控制。这通过使得输入级6的晶体管12的驱动电压与输出级7的晶体 管16的驱动电压同步来实现。在第二实施例中，第一与第二控制装置8和9可独立地受到控制。因此，输入级6 和输出级7可各自独立地由其自己相应的控制装置8和9控制。第一控制装置8优选为图3A所示的调节装置的类型。第二控制装置9可以为图 9B所示的调节装置的类型。两种类型的调节装置将贯穿说明书在下面进行介绍。输入级的第一控制装置8作为输入地接收从用于测量输入级6的输出电流的模块 10获得的信号。图2示出了用于对电池2充电的设备1的实施例的详细图示。设备1包含三个可用相。三相可被耦合到三相供电网络，或单相供电网络。在单相供电网络的情况下，两个可 用相被耦合到单相供电网络的相线和中性线，第三可用相不使用。由图2可见，滤波装置5包含电磁兼容(EMC)滤波器5a、滤波电容器5b。EMC滤波 器5a例如为具有电感和共模电容器的滤波器，使得可以对由设备1的输入级6和输出级7 的晶体管产生的电流脉冲进行滤波。滤波装置5使得可以对以这种方式吸收的电流进行滤 波，故使电流在谐波以及机动车领域的条款上满足由电网操作者施加的网络连接限制。代替电容器的所谓星形布置的是，可以具有根据所谓三角形布置(未示出)的电 容器5，也就是说，通过在EMC滤波装置5a的输出上将电容器布置在各相和中性线之间。经 过其的电流值因此减小。整流器输入级6包含整流电路，整流电路包含与晶体管12串联耦合的二极管11。 整流电路包含彼此并联耦合的三个支路，各个支路包含串联组件，串联组件接连包含二极 管11、两个晶体管12以及二极管11。两个二极管11以同样的通过方向安装。各个支路也 被耦合到相线，耦合在两个晶体管12之间建立。此整流电路与至少一个续流二极管13并联耦合。整流器输入级6在输出上耦合到用于测量来自输入级6的电流的模块10，例如安 培计，以便通过控制整流器输入级6来调节此电流。经由三个定子线圈14，变换器输出级7耦合到测量模块10的输出。各个定子线圈 14在输入上耦合到测量模块10。因此，来自整流器输入级6的电流被分入变换器输出级7 的电路的三个支路。实际上，变换器输出级7还包含具有三个并联耦合支路的电路。各个支路包含两 个各自具有并联耦合的二极管15与晶体管16的组件的串联耦合。一个支路的两个二极管 16以相同的通过方向安装。各个线圈14耦合到变换器输出级7的电路的支路。耦合在两个串联耦合的组件 之间建立。变换器输出级7最后在输出上耦合到电池。使得设备1最优化在于，根据电池 电压，不断地或周期性地——例如以100微秒 的采样速率——调节整流器输入级6的最小平均输出电流，而不是将此电流永远保持在其 最高值。整流器输入级6的效率因此通过减少开关较小电流的晶体管12的开关损耗来得 到改进。在这种情况下，整流器输入级6的输出上——换句话说，续流二极管13的端子 上——的平均电压被获得为，至少以输出级7的上臂二极管的结上的电压降，小于来自电池 2的电压。包含牵引变换器和定子线圈14的变换器输出级7于是可受到控制。特别地，平均电压受到续流二极管13的续流阶段——也就是说导通阶段，在此期 间，其端子上的电压实际上为零——的控制，处于二极管13的结的电压降范围内。续流阶 段越长，平均电压越低。因此，由于输入级的第一控制装置8，可以以续流阶段依序控制的整流器输入级6 的各个晶体管12。因此，通过调节晶体管12的开关信号的占空比，可以直接控制整流器输 入级6，也就是说，在测试期间预先计算的开环系统可提供快速的相应时间。或者，通过使 用倾向于减小基准参数和整流器输入级6的测量输出电流之间误差的调节环，整流器输入级6可直接受到控制，根据例如PI或PID结构，这可提供精确控制，但具有较慢的响应时 间。作为另一替代性实例，通过使用调节环并通过以与图3B所介绍类似但具有可提供精确 且迅速响应时间的其他参数的方式调节开关信号的占空比，整流器输入级6可直接受到控 制。例如，通过对供电网络谐波等极进行最小化，可以使得续流二极管13的端子上的 电压的频谱最优化。此电压于是由电气车辆的定子更好地滤波。还可以降低开关的次数，因此，降低由整流器输入级6产生的损耗。开关次数越 少，损耗减小得越多。另一方面，在这种情况下产生的电压包含因此将由定子线圈较少地滤 波的较低频谐波。通过施加到整流器输入级6的晶体管12的控制电极的电流脉冲的占空比，输入级 的第一控制装置8控制取自三相供电网络的电流。变换器输出级7包含专用于电气车辆的牵引的元件。换句话说，这种情况下，牵引 系统的变换器级构成充电装置的输出级7。因此，车辆不需要电池2和牵引装置之间的第二 变换器级。此输出级7的功能为从由整流器输入级6获得的调节电流中将规定的充电电流供 到电池，其必须小于从整流器输入级6获得的平均电流。充电电流基于可在供电网络中获 得的电力以及电池电压来限定。例如，在传送43kW的电力的供电网络以及在被放电时200V 电池电压的情况下，充电电流的上限可一直到200A。为了限制在电池中流通的电流的谐波频谱，变换器输出级7的电路的各个支路也 可由第二控制装置9进行控制，第二控制装置9可独立于输入级的控制装置8。电流的可 接受的谐波频谱应当由关于所使用的电池的测试过程来定义，以便提供电池的合适的可靠 性。变换器输出级7的电路的各个支路的驱动电压脉冲对于使用三个支路的电路彼此偏移 三分之一周期。可接受的偏移依赖于支路数，因此，偏移在0到周期与支路数之比的范围 内。变换器输出级7的电路的各个支路可用专用于它的调节环单独地驱动，或被统一 驱动，也就是说，具有施加到各支路的控制的同样的占空比。图3A示出了包含在整流器输入级6的第一控制装置8中的示例性调节装置20。调节装置20在输入上接收由测量模块10测量的输出自整流器输入级6的电流 IDC。比较装置21于是确定测量的输出自输入级6的电流Idc和希望将电流Idc调节到的基 准电流值ID。rf之间的差。比较装置21可包含数字计算器，其适用于对两个电流值进行相 减，或作为替代地包含例如减法器的模拟电路。基准电流Idc &的值可以为等于(或高于其不超过10%)充入电池的功率除以电 池处于放电状态时的最小电池电压的比值和供电网络的峰值脉冲电流之间最大值的恒定 值。或者，基准电流Idc 的值可根据与电池电流乘以电池电压除以续流二极管13端子上 的平均电压成比例的电池电压进行修改(为了具有鲁棒性设计，ID。rf可被增大为计算值的 大约115% )。因此，Idc_ref随着电池电流减小而减小，这是因为导致电池电压Vbatt除 以续流二极管13端子上的平均电压的比值基本上恒定的恒定的输入功率。通过这种方式由比较装置21计算的差被传送到调节模块22 (例如PID控制器)， 其于是施加校正，例如比例、积分型的校正，该校正使得可以将反映供电网络的电力的、来自供电网络的希望幅度的电流传送到输出。由调节模块22传送的电流幅度由作为电子乘法器电路的计算装置23与先前由同 步装置24同步和标准化的供电网络电压相乘。同步化装置24的输出为电压信号波形(主 要由其频率和相位定义)，其幅度在恒定范围内标准化。因此，给出电流幅度的调节装置22 的输出在计算装置23的输出上被变换为基准电流，基准电流的波形适应于供电网络电流 信号的波形。合适的同步化装置24可以为PLL(锁相环)电路。计算装置23于是将用于供电网络的电流设置点(例如16，32，63安培)作为输出 传送到控制装置25，控制装置25能够产生用于整流器输入级6的晶体管12的控制策略。 合适的控制装置25可包含电流空间向量。这样的电流空间向量为变换器中一般使用的电 压空间向量的改编，但代替具有如电压空间向量中那样的切换之间的死区时间的是，在切 换时具有重叠的时间段。图3B示出了可以在整流器输出级7的第二控制装置9中的示例性调节装置200。调节装置200在其输入上接收基准输入电池电流Ibatt &。基准电池Ibatt &电流 为电池希望的电流，Ibatt—ref由电池计算器基于电池的多种内部参数计算和给出，参数例如 为电池单体之间的平衡、温度、老化、电极的化学成分等。比较装置210于是确定在电池2 的输入端子上由电表测量的测量输入电池电流Ibatt和希望将输入电池电流Ibatt调节到的 基准输入电池电流值Ibatt—之间的差。比较装置210可包含数字计算器，其适合对两个电 流值进行相减，或作为替代地包含模拟电路，例如减法器。由比较装置210以这种方式计算的差被传送到调节模块220，调节模块220于是施 加校正，例如比例、积分型的校正。同时，前馈装置250——例如适用于将信号乘以恒定值的计算器——在其输入上 接收基准输入电池电流值Ibatt—&。前馈装置250于是计算开环控制值，其代表控制值的主 要部分。控制值由电池基准电流除以由测量模块10测量的电流之间的比值获得。其通常 代表控制值的至少90%。最后控制值于是通过将前馈装置250输出加到调节模块220输出来实现。加法器 功能装置230可包含数字计算器，其适用于对两个值相加，或者，包含模拟电路，例如加法 器电路。图4示出了用于对电池2进行充电的设备1，其由单相供电网络40供电。在此图 中，与先前介绍的相同的这些元件具有同样的参考标号。对于变换器输出级7，运行原理仍与由三相供电网络供电的设备1相同。另一方 面，输入级仅具有四个晶体管12，其进行开关，以便提供输入电流的正弦吸收。充电设备不 依赖于三相供电网络的电压等级和频率，并可适应于例如400V/50HZ欧洲供电网络，或是 200V/50Hz或200V/60Hz日本供电网络，或208V/60Hz美国供电网络。图5示出了由DC电压50供电的用于对电池2充电的设备1。在此图中，与先前介 绍的相同的这些元件具有同样的参考标号。变换器输出级7保持与图4的设备的输出级相同的控制原理。因此，在此实施例 中，主要涉及将DC电压施加到设备的输入，而不是单相电源。在幅度保持由调节得出的参数时，曲线保持连续。充电设备独立于DC供电网络的电压等级。图6示出了用于对电池2充电的设备1的另一实施例，其中，与图2到5相同的元 件具有同样的参考标号。在此实施例中，三相用Pl、P2、P3表示，中性线用N表示。耦合对于三相供电网络 的中性线N添加。在这种情况下，第二续流二极管17被添加到整流器输入级6，用于对中性 点进行滤波的电容器5c被布置在中性线N和滤波电容器5b的公共点C之间。电容器5c 使得可以提供中性线与相之间的滤波。在通过方向上，第二续流二极管17串联耦合在第一 续流二极管13之前。中性线耦合到由两个串联连接的续流二极管13、17构成的支路，耦合 在两个续流二极管13、17之间提供。作为一替代性实施例，滤波电容器5b可以以所谓的三角形布置安装，如关于图2 所详细示出的实施例所阐释的。于是，不需要提供中性滤波电容器5c。还可以使用根据此实施例的充电设备1与单相供电网络，通过将单相供电网络的 中性线耦合到专用输入，专用输入耦合到包含两个续流二极管13、17的支路。充电装置不依赖于单相供电网络的电压等级和频率，并可适用于例如230V/50HZ 欧洲供电网络，或是100V/50Hz或100V/60Hz日本供电网络，或120V/60Hz美国供电网络。图7示出了对电气车辆的电池进行充电的方法的流程图。在第一步骤701中，用于对电池2进行充电的设备1的整流器输入级6经由滤波 装置5和连接装置4被连接到供电网络3。连接不需要接触器。在接下来的步骤702中，使用包含EMC滤波器5a和电容器5b的滤波装置5吸收 的来自供电网络的电流被滤波，故电流满足供电网络连接限制的谐波掩蔽。在接下来的步骤703中，整流器输入级6的输出上的电流、被测量。由此测量， 在接下来的步骤704中，通过控制输入级6的晶体管12，从输入级输出的电流Irc得到调节。最后，在步骤705中，一旦电池2的充电电压到达其最大值，电气车辆的电池2的 充电停止。由此介绍的充电设备1使得可以克服要求电池电压永远大于供电网络最大电压 的限制。这使得可以仅仅将充电设备1的定子线圈14的电感用作能量缓冲滤波器。实际 上，当充电功率高时，这种电感性和/或电容性滤波器的占地面积和重量将会变得不能安 装在机动车上。还提供了使得装置在不必使用在运行模式之间切换的接触器的情况下以控制模 式或牵引模式运行的可能性。最后，其允许电池2的更快的充电。
权利要求
一种用于对电池(2)充电的设备(1)，其包含整流器输入级(6)，其被设计为连接到供电网络(3)；变换器输出级(7)，其被设计为连接到电池(2)，该设备的特征在于包含一装置(20)，该装置将从输入级(6)获得的平均电流调节为根据由供电网络(3)供给的最大电流并根据至少等于由输入级(6)整流的最大电压和电池(2)电压之间比值的因子计算的电流值左右。
2.根据权利要求1的设备，其特征在于包含连接装置(4)，连接装置能够将输入级(6) 连接到三相供电网络或单相供电网络。
3.根据权利要求1或2的设备，其特征在于，输入级包含至少一个续流二极管(13)。
4.根据权利要求1-3中任意一项的设备，其特征在于包含控制输入级(6)的第一装置 (8)和控制输出级(7)的第二装置(9)，第二装置能够控制整流器输出级(7)，控制输入级 (6)的第一装置(8)独立于控制变换器输出级的第二装置(9)。
5.根据权利要求4的设备，其特征在于，第一控制装置(8)包含用于控制输入级的开关 控制信号的占空比的装置或调节环。
6.根据权利要求1至5中任意一项的设备，其特征在于，所述设备(1)被设计为安装在 具有电气牵引系统的机动车中，其特征在于，变换器输出级(7)由车辆牵引系统的变换器 级构成。
7.根据权利要求1至6中任意一项的设备，其特征在于，包含安装在车辆中的滤波装置 (5)，该装置能够对由设备(1)吸收的来自供电网络(3)的电流进行滤波。
8.—种电池充电方法，其特征在于包含，关于从由供电网络(3)供给的最大电流以及 根据至少等于由整流器输入级(6)整流的最大电压与电池(2)电压之间比值的因子产生的 电流值，对从整流器输入级(6)获得的平均电流的调节。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于，输入级(6)连接到三相供电网络或单相供电网
10.根据权利要求8或9中任意一项的方法，其中，允许来自变换器输出级(7)的电流 在至少一个续流二极管(13)中流通。
11.根据权利要求8-10中任意一项的方法，其特征在于，通过用于输入级的开关控制 信号的占空比的控制或通过调节环，整流器输入级(6)受到控制，整流器输入级(6)的控制 独立于变换器输出级(7)的控制。
12.根据权利要求8-11中任意一项的方法，其特征在于包含使用并入的滤波装置(5) 对该设备(1)从供电网络(3)吸收的电流进行滤波。
全文摘要
一种用于对电池(2)充电的设备(1)，其包含整流器输入级(6)，其被设计为连接到供电网络(3)；变换器输出级(7)，其被设计为连接到电池(2)。该设备包含一装置(20)，该装置将从输入级(6)获得的平均电流调节为根据由供电网络(3)供给的最大电流并根据至少等于由输入级(6)整流的最大电压和电池(2)电压之间比值的因子产生的电流值。
文档编号B60L11/18GK101959711SQ201080001178
公开日2011年1月26日 申请日期2010年3月11日 优先权日2009年3月11日
发明者A·维尔纳夫, B·布里安, O·普罗伊科斯, S·劳德特 申请人:雷诺股份公司