电池的充电设备和方法
【专利摘要】本发明涉及一种对电动交通工具电池充电的设备和方法，所述电动交通工具包括车载计算机，所述设备包括能够给出充电功率Pc1的主能量供给源（3）。根据该充电方法，执行以下步骤：相对于由所述车载计算机在时刻t要求的充电电流和/或电压指令值，确定要给所述交通工具的电池的充电功率Pc，比较该充电功率与能够由主能量供给源（3）给出的充电功率Pc1，如果Pc>Pc1，则除了所述主能量供给源（3）之外，还使用至少一个辅助能量供给源（8），所述辅助能量供给源（8）能够给出充电功率Pc2以使得由所述源给出的充电功率之和等于所要求的充电功率Pc。
【专利说明】电池的充电设备和方法
[0001] 本发明涉及电池的充电设备和方法，更具体地涉及用于配有至少一个电池和车载 计算机的交通工具的快速充电终端。
[0002] 因为电动交通工具实际上在城区，所以其电池的充电通过现有能量插座和/或要 被安装在公路上或在容易访问的位置(公园，工作间等）的新基础设施(充电终端）进行。
[0003] 目前设计了两种充电模式：
[0004] 一通过直连(正常充电或快速充电)，
[0005] -非接触式。
[0006] 最简单的充电借助于在正常插座上的直连进行，其给出220至240V的16A或者大 约3. 7kVA的交流电流。交流电流被车载充电器转换为直流电流。完全充电要花6至10小 时。
[0007] 可以基于传统民用插座进行的该类型充电的优点在于不需要任何新基础设施，至 少对于拥有车库或停车位的个人完全如此。该类型充电的优点还有提供在夜间在能量消耗 最小的时间在几个小时期间对交通工具充电的可能性。
[0008] 快速的直连充电需要特殊的充电终端，其给出当前介于20和500V之间的电压下 的几安培的电流，直接施加到电动交通工具的电池。建立的功率是50kVA的量级。
[0009] 该类充电原则上每分钟充电提供3至5km的续驶里程，条件是电池能够无损失地 吸收高电流。由一方面在电动交通工具上而另一方面在快速充电终端上的智能元件对充电 的共同管理是必需的。
[0010] 快速充电终端包括由三相网络供电的充电器-整流器。
[0011] 至于非接触式充电，力求找到两种不同的充电方法：
[0012] 一通过微波传送能量，
[0013] 一通过感应耦合。
[0014] 在后一种方法中，从通常在地面上的第一绕组向安装在交通工具上的第二绕组传 送能量。
[0015] 使用这些设备，使用者不再需要进行连接。
[0016] 电动交通工具数量的增长强烈提出了管理可用于短时充电的电能的问题。
[0017] 电动交通工具消耗的能量主要取决于其效率和行驶距离。在设计为平均每天 40km的情况下，电动交通工具每24小时的需要在4和25kWh之间，这给出介于1500kWh和 9000kWh之间的年消耗。根据由法国GIFAM (家用设备器具制造商行业组织)和l'INSEE给 出的不同来源，电动交通工具的潜在用户的平均民用消耗上升到8000kWh并且该消耗在美 国上升到lOOOOkWh。
[0018] 因此，电动交通工具可能增加家庭消耗20 %到50%。
[0019] 如果大多数用户在白天给交通工具充电，则电气中心的安装功率将增长超过合理 值。
[0020] 此外，通常需要50kVA的在几十分钟期间的快速充电不仅导致电气中心的容量过 大，还导致电气线路的改变。
[0021] 相反，夜间充电要求约3kW的功率（6至lOh完成充电)，这容易由现有设备支持。
[0022] 然而，发现用于电动交通工具的快速充电终端目前完全由单一能量源供电：通常 是输电网。
[0023] 大量电池的同时充电所消耗的能量和所要求的功率不仅导致电气中心的容量过 大，并且还导致电气线路的改变。
[0024] 因此，该额外电力需求对以下有负面影响：
[0025] -每kWh电力的C02排放(随发电模式不同：核电，水电，热电……）；
[0026] 一输电网的管理、构造和操控；
[0027] -电消耗点的管理并且尤其是对快速充电的影响；
[0028] 一电网的局部强化。
[0029] 本发明旨在通过提出这样的充电设备和方法来克服各种缺陷：该设备和方法在设 计和操作模式上简单，从而允许保证以快速和经济的方式进行电池的充电。
[0030] 本发明的另一目的是允许通过减少对输电网的功率需求来降低电力需求对网络 的影响的充电设备和方法。其效果是：
[0031] 一降低电动交通工具充电所需的每kWh电力的C02排放量；
[0032] -使电能消耗平滑并因此便于生产预测；
[0033] -由于到电网的连接功率降低而提供了这样的可能性：能够将快速充电端子连接 到更多的电网连接点，而这些连接点过去是不能连接的。
[0034] 本发明的目的是减小输电网的连接点的功率而根本不会降低快速充电终端的性 能。
[0035] 为此，本发明的目的是一种对交通工具电池充电的设备，所述设备包括主能量供 给源和第一电路，主能量供给源能够给出充电功率PCl，第一电路用于把由所述主能量供给 源给出的供电电流或电压转换为用于所述电池的充电电流或电压。
[0036] 根据本发明，该设备包括：
[0037] -至少一个辅助能量供给源，能够给出充电功率Pc2，
[0038] -至少一个第二电路，用于把由所述辅助能量供给源给出的供电电压或电流转换 为用于所述电池的充电电流或电压，所述至少一个第二电路并联连接到所述第一电路，
[0039] -管理系统，控制所述至少一个辅助能量供给源，使得当对所述电池充电所要求 的充电功率Pc大于能够由所述主能量供给源给出的充电功率Pci时，激活所述辅助能量供 给源中的至少一个。
[0040] 交通工具是指地面、海上或空中类型的机动交通工具，也就是说，并且纯示例性 地，船、飞机、汽车、卡车、公共汽车或四轮车。
[0041] 本发明的目的是允许通过减少对输电网上的功率需求来降低电力需求对网络的 影响。其效果是：
[0042] 一使电能消耗平滑；
[0043] 一便于电能生产的预测，因为电能消耗随时间平滑；
[0044] -降低电动交通工具充电所需的每kWh电能的C02排放量，因为电能消耗随时间 平滑；
[0045] 一不需要电网的局部强化，因为在电网上消耗的功率更少了；
[0046] -降低快速充电站的使用的总成本，因为连接到网络的成本和预订成本减少了；
[0047] -由于到电网的连接功率降低而提供了这样的可能性：能够将快速充电端子连接 到更多的电网连接点，而这些连接点过去是不能连接的；
[0048] 一保持电动交通工具的充电性能。
[0049] 在该充电设备的不同的特别实施方式中，每个都具有特别优点并且可进行多种可 能的技术组合：
[0050] -所述主能量供给源是给出网电压或网电流的供电网，
[0051] -所述至少一个辅助能量供给源包括在包括电池、超级电容、飞轮、燃料电池、发 电机组、光伏太阳能板以及这些部件的组合的组中选择的能量供给单元，
[0052] -所述交通工具包括控制要充电的所述电池的车载计算机，所述设备包括允许在 所述设备和所述车载计算机之间实时传送信息的通信系统，所述信息包括由所述车载计算 机提供的至少一个充电指令值。
[0053] 该充电指令值是充电电流和/或充电电压的值。
[0054] 优选地，管理系统因此包括用于确定与由所述车载计算机要求的充电电流和/或 充电电压的值相对应的充电功率Pc的计算单元。
[0055] 有利地，在能够由所述主能量供给源给出的充电功率PCl随时间变化的情况下，所 述设备包括实时测量所述充电功率P Cl的测量单元，所述测量单元向所述计算单元发送信 肩、。
[0056] 这可以尤其是当在白天进行时，多个用户在连接到同一连接点时消耗能量的情 况。
[0057] -该设备包括用于限制由所述主能量供给源给出的充电功率以使得
[0058] PCl〈Pcmax的可编程装置，其中Pcmax是能够由所述主能量供给源给出的最大充电功 率，
[0059] -用于把由所述主能量供给源给出的供电电流或电压转换为用于所述电池的充 电电流或电压的所述第一电路包括控制把电流提供给变压器的第一绕组的开关的控制电 路，所述控制电路工作于高频隔离或低频隔离斩波模式，
[0060] 一所述设备包括所述至少一个辅助能量供给源的充电电路，该充电电路与所述主 能量供给源相连来对所述至少一个辅助能量供给源进行充电。
[0061] 优选地，该设备包括通过开关连接到充电电路的多个辅助能量供给源，所述管理 系统控制每个辅助能量供给源的充电水平，并且控制所述开关以独立地对每个辅助能量供 给源充电。
[0062] 本发明还涉及一种对交通工具电池充电的方法，其中使用能够给出充电功率Pci 的主能量供给源和能够给出充电功率Pc2的供给能量的至少一个辅助能量供给源，以使得 由所述源给电池的充电功率的和等于充电功率Pc。
[0063] 根据本发明，
[0064] -对所述辅助能量供给源中的每一个使用用于把由对应辅助能量供给源给出的 供电电流或电压转换为用于所述电池的充电电流或电压的电路，所述电路设置在对应的所 述辅助能量供给源和不同能量供给源的连接节点之间。
[0065] 因此有利地摆脱由每个辅助能量供给源供给的电压，这允许把无论哪个辅助能量 供给源连接到充电设备而无需知道其电压。
[0066] 用于对由所述至少一个辅助能量供给源给出的供电电流或电压进行转换的这样 的电路因此准许在该辅助能量供给源的选择和定尺寸时更大的灵活性，并且允许例如摆脱 与电池使用相关的缺点(根据充电状态而变化的电压……）。
[0067] 此外，用于转换供电电流和电压的电路的并联有利地允许能够通过添加模块来使 现有系统进化，而无需破坏已经部署在充电设备中的初始设备。
[0068] 在该充电方法的不同的特别实施方式中，每个具有其特别优点并可进行多种可能 的技术组合：
[0069] 一实时测量由所述主能量供给源给出的充电功率，并且确定所述主能量供给源要 供给的最大功率值Pc_。
[0070] 因此可以连续地控制来自所述主能量供给源的充电功率，以使得其不超过确定的 指令值，用于对电池充电的充电功率的补充是通过所述至少一个辅助能量供给源获得的。
[0071] 一在能够由所述主能量供给源给出的充电功率PCl随时间变化的情况下，测量所 述充电功率Pc lt)
[0072] 有利地，基于值Pcmax或PCl来确定所述至少一个辅助能量供给源应该提供来保证 对所述电池充电的充电功率Pc 2。
[0073] -在所要求的充电功率Pc严格小于PCl的情况下，对所述电池充电，同时用充电 功率Pc 4对所述至少一个辅助能量供给源充电，Pc4彡PCl - Pc。
[0074] 该实施方式因此允许在对电池充电的同时对辅助能量供给源充电。因此可以在完 成对第一电池充电之后直接对另一电池充电。
[0075] -在所述交通工具包括车载计算机并且给出到要被充电的所述电池的充电功率 Pc小于希望的充电功率值的情况下，把所述充电值Pc传送到车载计算机。
[0076] -在同时给单个电池充电的情况下，顺次对多个电池充电。
[0077] 优选地，在小于为电池一次充电所需的充电时间的充电时间T期间为所述电池中 的每一个电池充电。
[0078] 本发明还涉及一种对交通工具电池充电的方法，所述交通工具包括车载计算机， 其中，
[0079] -确定在对所述电池以直流电压充电时相对于由所述车载计算机在时刻t要求 的充电指令值的、要给所述交通工具的电池的充电功率Pc，
[0080] 一比较该充电功率与能够由主能量供给源给出的充电功率PCl，
[0081] 一如果Pc>PCl，除了所述主能量供给源之外，还使用至少一个辅助能量供给源，所 述辅助能量供给源能够给出充电功率Pc 2以使得由所述源给出的充电功率之和等于要求的 充电功率Pc。
[0082] 该充电指令值是充电电流和/或充电电压值。
[0083] 优选地，所述主能量供给源是给出网电压的供电网。
[0084] 有利地，确定相对于能够由主能量供给源给出的最大充电功率Pc_的充电功率值 Pc1〇
[0085] 优选地，在能够由所述主能量供给源给出的充电功率PCl能够随时间变化情况下， 有利地实时测量所述充电功率Pc lt)
[0086] 有利地，在所要求的充电功率Pc严格小于PCl的情况下，对所述电池充电，同时用 充电功率Pc 4对至少一个辅助能量供给源充电，Pc4彡PCl - Pc。
[0087] 将参照附图更详细地描述本发明，在附图中：
[0088] 一图1是根据本发明的特别实施方式的电池的充电设备的示意图；
[0089] -图2示意示出用于由把图1的设备的第一源给出的供电电压和第二源给出的电 流或电压转换为用于电池的充电电流或电压的电路；
[0090] 一图3示意示出根据另一实施方式的用于把由充电设备的主能量供给源和辅助 能量供给源给出的供电电压或电流转换为用于电池的充电电流或电压的电路。
[0091] 一图4是在现有技术的充电终端(黑实线）和根据本发明的实施方式的设备(灰实 线）之间进行的对主能量供给源上消耗的功率的比较，该主能量供给源是供电网，X轴线表 示时间，而y轴线表示以kVA为单位的消耗功率。
[0092] 图1和图2示出根据本发明的优选实施方式的尤其用于电动交通工具2的电池的 充电器1。该充电器1适于对这样的电池快速充电，例如约在30分钟内。
[0093] 电池的该充电器1包括与给出网电压Vs的供电网3相连的框架。该供电网3构 成为了对电动交通工具2的电池充电的用于该端子2的第一能源。由电网3给出的充电功 率Pq在这里等于36kW，也就是说涉及标准连接点。
[0094] 框架包括第一转换电路4,允许把由供电网3给出的网电压转换为用于要充电的 电池的充电电流或电压。
[0095] 该第一转换电路4包括把电流提供给变压器的第一绕组的开关的控制电路，所述 控制电路工作于高频(通常为80000Hz)隔离斩波模式。
[0096] 电动交通工具2包括控制要充电的电池的车载计算机5，充电终端1包括用于允许 把充电终端1和交通工具2的车载计算机5之间的信息进行实时传送的通信系统6。
[0097] 特别地，该通信系统在此或者包括有线系统7,如总线控制器区域网（CAN)、载流 线（CPL)或导线通信（IS061851SAE J1772)或K/L线（IS09141)，或者包括无线连接，如 Zigbee、Wifi或蓝牙，允许充电终端1从车载计算机5接收用于电池充电所需的充电指令值 (充电电流和/或电压)，该充电指令值随时间改变。
[0098] 特别地，区分两个充电阶段：
[0099] -称作"加速"的充电阶段：在最短时间内（通常10分钟)恢复电池容量的最大值， 通常是电池的充电状态的〇%到50%，
[0100] 一也称作"吸收"的均衡阶段，在该阶段期间完成电池容量的直到100%的渐进式 充电。该阶段通常为30分钟左右。
[0101] 框架还包括能够给出充电功率Pc2的供给内部能量的第二源8。该第二源在此是 电化学电池。
[0102] 该第二源8的容量被实施为：当由电动交通工具的车载计算机5要求的用于对其 电池充电的充电功率Pc大于能够由电网3提供的充电功率P Cl时，能够保证电池的称作"加 速"的第一充电阶段。
[0103] 作为示例，在充电功率Pc2是20kW的情况下，由第二源提供的有用能量是5至 10kWh。该容量当然可以根据需要而增大，以例如用于在无需对第二源进行充电的情况下保 证一次或多次相继充电。
[0104] 框架包括第二电路9，第二电路9用于把由所述辅助能量供给源8给出的供电电流 或电压转换为用于所述电池的充电电流或电压，所述至少一个第二电路并联连接到第一电 路4。第一转换电路4和第二转换电路9以并联方式连接以便提供由电动交通工具的车载 计算机5要求的用于对电池充电的充电指令值(充电电流和/或电压)。
[0105] 充电终端1包括管理系统10,该管理系统10控制第二供电源8以便在所要求的用 于对所述电池充电的充电功率Pc大于能够由第一能源3给出的充电功率P Cl时激活第二 供电源8。
[0106] 因此，并且当电网上消耗的功率在交通工具的任何充电期间（从0%到100%的充 电状态一 S0C)都几乎恒定时，在称作"加速"的第一充电阶段期间所需的能量的补充由第二 能量源提供。在称作"吸收"的第二充电阶段期间，提供到交通工具的能量随时间递减。当 PC>PCl时，提供给交通工具2的能量来自主能量供给源3以及第二能量源8。一旦Pc〈P Cl， 提供给交通工具2的能量全都来自第一能量源3,而第二能量源8被第一能量源3充电。
[0107] 然而如果，在交通工具充电的第二阶段结束时，第二能量源8未完全充电，则它具 有被第一能量源3充电的可能性。
[0108] 当第二源8耗尽并且要求充电时，充电终端1可以通过提供不超过仅由供电网3 提供的功率例如36kW的功率来保证充电。
[0109] 充电终端1因此包括专用于第二源8的充电电路11，该充电电路11直接连接到供 电网3。该充电电路11在此包括滤波器12、转换器13以及功率因数校正设备14。
[0110] 电池的充电器1还包括用于降低其电路和电子组件的温度的冷却装置，因此避免 了充电器在电池的快速充电时变得太热。这些冷却装置在此包括一个或多个通风装置（未 示出）以及热交换结构，诸如冷却叶片(未示出）。
[0111] 图3示意地示出根据另一实施方式的用于把由充电设备的主能量供给源3和辅助 能量供给源8给出的供电电压或电流转换为用于电池的充电电流或电压的电路。
[0112] 用于把由主能量供给源给出的供电电压或电流转换为用于电池的充电电流或电 压的第一电路4包括把电流提供给变压器的第一绕组的开关的控制电路，该控制电路工作 于低频(通常为20000Hz)隔离斩波模式。
[0113] 辅助能量供给源的充电电路15再次使用第一电路4的输入级，该输入级包括滤波 器16和功率因数校正设备17。在该级之后，充电电路15包括转换器18。
【权利要求】
1. 一种对交通工具电池充电的设备，所述设备包括主能量供给源（3)和第一电路（4)， 主能量供给源（3)能够给出充电功率P Cl，第一电路（4)用于把由所述主能量供给源（3)给 出的供电电流或电压转换为用于所述电池的充电电流或电压，其特征在于包括： 一至少一个辅助能量供给源（8)，能够给出充电功率Pc2， 一至少一个第二电路（9)，用于把由所述辅助能量供给源（8)给出的供电电压或电流 转换为用于所述电池的充电电流或电压，所述至少一个第二电路（9)并联连接到所述第一 电路（4)， 一管理系统（10)，控制所述至少一个辅助能量供给源（8)，使得当对所述电池充电所 要求的充电功率Pc大于能够由所述主能量供给源（3)给出的充电功率PCl时，激活所述辅 助能量供给源中的至少一个。
2. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述主能量供给源（3)是给出网电压或网 电流的供电网。
3. 根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述至少一个辅助能量供给源（8)包 括在包括电池、超级电容、飞轮、燃料电池、发电机组、光伏太阳能板以及这些部件的组合的 组中选择的能量供给单元。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其特征在于，所述交通工具（2)包括控 制要充电的所述电池的车载计算机（5)，所述设备包括允许在所述设备和所述车载计算机 (5)之间实时传送信息的通信系统（7)，所述信息包括由所述车载计算机提供的至少一个充 电指令值。
5. 根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述管理系统（10)包括用于确定与由所 述车载计算机（5)要求的充电电流和/或充电电压的值相对应的充电功率Pc的计算单元。
6. 根据权利要求5所述的设备，其特征在于，在能够由所述主能量供给源（3)给出的充 电功率Pq随时间变化的情况下，所述设备包括实时测量所述充电功率Pq的测量单元，所 述测量单元向所述计算单元发送信息。
7. 根据权利要求1-6中任一项所述的设备，其特征在于，该设备包括用于限制由所述 主能量供给源（3)给出的充电功率以使得P Cl〈Pcmax的可编程装置，其中Pcmax是能够由所述 主能量供给源（3)给出的最大充电功率。
8. 根据权利要求1-7中任一项所述的设备，其特征在于，用于把由所述主能量供给源 (3)给出的供电电流或电压转换为用于所述电池的充电电流或电压的所述第一电路（4)包 括控制把电流提供给变压器的第一绕组的开关的控制电路，所述控制电路工作于高频隔离 或低频隔离斩波模式。
9. 根据权利要求1-8中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括所述至少一个 辅助能量供给源（8 )的充电电路（11，15 )，该充电电路与所述主能量供给源（3 )相连来对所 述至少一个辅助能量供给源（8 )进行充电。
10. 根据权利要求2和9所述的设备，其特征在于，所述充电电路包括滤波器、转换器以 及功率因数校正设备。
11. 一种对交通工具电池充电的方法，其中使用能够给出充电功率主能量供给源 (3)和能够给出充电功率Pc2的供给能量的至少一个辅助能量供给源（8)，以使得由所述源 给电池的充电功率的和等于充电功率Pc，其特征在于， 一对所述辅助能量供给源（8)中的每一个使用用于把由对应辅助能量供给源（8)给出 的供电电流或电压转换为用于所述电池的充电电流或电压的电路，所述电路设置在对应的 所述辅助能量供给源（8)和不同能量供给源的连接节点之间。
12. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，实时测量由所述主能量供给源（3)给出 的充电功率，并且确定所述主能量供给源（3)要供给的最大功率值Pc MX。
13. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在能够由所述主能量供给源（3)给出的 充电功率PCl随时间变化的情况下，测量所述充电功率P Cl。
14. 根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，基于值Pcmax或PCl来确定所述至 少一个辅助能量供给源（8)应该提供来保证对所述电池充电的充电功率Pc 2。
15. 根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其特征在于，在所要求的充电功率Pc 严格小于PCl的情况下，对所述电池充电，同时用充电功率Pc4对所述至少一个辅助能量供 给源（8)充电，Pc 4彡PCl - Pc。
16. 根据权利要求11至15中任一项所述的方法，其特征在于，在所述交通工具包括车 载计算机（5)并且给出到要被充电的所述电池的充电功率Pc小于希望的充电功率值的情 况下，把所述充电值Pc传送到车载计算机。
17. 根据权利要求11至16中任一项所述的方法，其特征在于，在同时给单个电池充电 的情况下，顺次对多个电池充电。
18. 根据权利要求17所述的方法，其特征在于，在小于为电池一次充电所需的充电时 间的充电时间T期间为所述电池中的每一个电池充电。
19. 一种对交通工具电池充电的方法，所述交通工具包括车载计算机（5 )，其中， 一确定在对所述电池以直流电压充电时相对于由所述车载计算机在时刻t要求的充 电指令值的、要给所述交通工具的电池的充电功率Pc， 一比较该充电功率与能够由主能量供给源（3)给出的充电功率PCl， 一如果Pc>PCl，除了所述主能量供给源（3)之外，还使用至少一个辅助能量供给源（8)， 所述辅助能量供给源（8)能够给出充电功率Pc2以使得由所述源给出的充电功率之和等于 要求的充电功率Pc。
20. 根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述主能量供给源（3)是给出网电压的 供电网。
21. 根据权利要求19或20所述的方法，其特征在于，确定相对于能够由主能量供给源 (3)给出的最大充电功率Pcmax的充电功率值P Cl。
22. 根据权利要求19至21中任一项所述的方法，其特征在于，在能够由所述主能量供 给源（3)给出的充电功率PCl能够随时间变化情况下，测量所述充电功率P Cl。
23. 根据权利要求19至22中任一项所述的方法，其特征在于，在所要求的充电功率Pc 严格小于PCl的情况下，对所述电池充电，同时用充电功率Pc4对所述至少一个辅助能量供 给源（8)充电，Pc 4彡PCl - Pc。
【文档编号】B60L11/18GK104093590SQ201280047828
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2012年7月20日 优先权日:2011年7月29日
【发明者】埃里克·斯泰平 申请人:埃弗罗尼克公司