用于车辆的充电电路装置以及用于充电电路装置的方法与流程

本发明涉及一种用于对车辆的电能存储器充电的电路装置、尤其是直流电压转换器。

背景技术：

带有电动驱动装置的车辆(如phev“插电式混合动力电动车辆”或bev“电池电动车辆”)包括电能存储器(如电池)，电能存储器可通过车辆的充电装置连接到充电站上并被充电。为了给这种电动和/或混合动力车辆的电能存储器充电，存在多种导电的、即有线充电技术。在所谓的ac充电或交流电充电中，在车辆中存在如下充电器，所述充电器产生直流电(也称为dc电流)以便给电能存储器充电。在充电站和车辆之间的充电电缆上传输ac电流或交流电。在所谓的dc充电或直流充电中，在充电站中存在如下充电器，所述充电器产生直流电以便给电能存储器充电。因此在充电电缆上传输dc电流或直流电。

目前，dc充电通常使用500v的最大电压和120a的最大电流，将来应能提供350a的充电电流。为了进一步提高充电功率，充电电压也应增加到800v或1000v(最大充电电流为350a)。由此车辆的高压电网的车载电网电压也提高到800v或1000v，使得车辆无法毫无问题地在500v充电站上充电。

技术实现要素：

本文所涉及的技术任务在于使具有相对高的车载电网电压(如800v或1000v)的至少部分电驱动车辆能够以有效的方式在具有相对低的充电电压(如500v)的充电站上充电。

所述任务通过独立权利要求的特征解决。此外，有利的实施方式在从属权利要求中被描述。应注意，独立权利要求的从属权利要求的附加特征在没有独立权利要求的特征或仅与独立权利要求的部分特征组合的情况下可构成独立于独立权利要求的所有特征的组合的独立发明，其可以是独立权利要求、分案申请或后续申请的技术方案。这同样适用于说明书中描述的技术教导，其可形成独立于独立权利要求的特征的发明。

根据一个方面，描述了一种用于车辆(尤其是道路机动车)的电路装置。所述车辆可包括用于存储电能的电能存储器。此外，车辆可包括可以利用来自能量存储器的能量运行的电机。电机可用于驱动车辆。能量存储器可提供具有车载电网电压的电能。在此，车载电网电压例如可在800v或1000v的范围中。

电路装置包括具有多个开关的开关单元。开关在此可包括晶体管、尤其是igbt(绝缘栅双极晶体管)或mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管)和/或半导体二极管。开关在此可至少部分地串联设置，以便形成半桥。

开关单元设置用于将车辆的电机(如三相交流同步电机)的至少一个相以不同的配置与车辆的dc车载电网电压耦联，以便产生用于电机的相的ac相电压和/或ac相电流。开关单元可以是逆变器的一部分，该逆变器设置用于从dc车载电网电压产生用于运行三相交流电机的三相电流。电路装置例如可包括用于电机的l个不同相的l个开关单元且l>1、例如l＝3。

此外，电路装置包括至少一个线圈和断路开关(如每个相两个断路开关)。断路开关在此可设置用于将开关单元经由线圈与dc充电电压耦联或与充电电压解耦(或者说与车辆的充电接口、如充电插座耦联或与充电接口解耦)。充电电压可低于车载电网电压。

第一断路开关可经由线圈将开关单元内的第一点与充电电压的第一极耦联或与其解耦。此外，第二断路开关可将开关单元内的第二点(可能直接)与充电电压的第二极耦联或与其解耦。断路开关例如可包括igbt、继电器或mosfet。因此通过断路开关可提供在开关单元(和因此车载电网电压)与充电电压之间的连接。线圈和开关单元于是可以组合的方式用作在充电电压(其例如在500v范围内)和车载电网电压之间的直流电压转换器。

电路装置还包括控制单元(如微处理器)。所述控制单元设置用于在电路装置的转换器模式中促使断路开关将开关单元经由线圈与充电电压耦联。因此可在充电电压(即车辆的充电接口)和电路装置并且因此直接或间接地与车载电网电压(即与车辆的能量存储器)之间建立连接。此外，控制单元设置用于在电路装置的转换器模式中这样运行开关单元，使得通过线圈将具有充电电压的电能转换成具有车载电网电压的电能。尤其是开关单元可与线圈组合作为直流电压转换器、如升压转换器、尤其是三电平升压转换器运行。

另一方面，控制单元设置用于在电路装置的逆变器模式中促使断路开关将开关单元与充电电压解耦。车载电网电压因此可与充电电压和/或与充电接口解耦，以实现开关单元的不受干扰的逆变器运行。在电路装置的逆变器模式中，控制单元进一步设置用于这样运行开关单元，使得基于车载电网电压产生用于电机的相的相电压和/或相电流。

因此，描述了一种用于车辆的电路装置，其可以空间、重量和成本有效的方式不仅提供逆变器而且提供直流电压转换器功能。因此可通过500v充电站有效地对车辆中的800v能量存储器充电。

开关单元可包括至少一个第一开关(如至少一个高侧开关)，其设置用于将电机的相与车载电网电压的第一极(如正极)耦联或与其解耦。此外，开关单元可包括至少一个第二开关(如至少一个低侧开关)，其设置用于将电机的相与车载电网电压的第二极(如负极)耦联或与其解耦。在此，所述一个或多个第一和第二开关可相对于车载电网电压形成半桥。也就是说，所述一个或多个第一和第二开关可彼此串联地设置车载电网电压的两个极之间。于是电机的相可与半桥的中点耦联。

通过这种半桥可提供至少一个两电平逆变器，其中，半桥的中点与车载电网电压的第一极或第二极耦联，以便模拟交流电压(如正弦交流电压)。

另一方面，通过这种半桥与线圈的组合可在充电电压和车载电网电压之间提供至少一个两电平直流电压转换器、尤其是升压转换器。为此目的，线圈可设置在半桥的中点和充电电压的第一极之间(通过第一断路开关)。此外，车载电网电压的第二极可与充电电压的第二极耦联(通过第二断路开关)。通过以一系列pwm(脉宽调制)周期交替激活第一开关或第二开关可进行直流电压转换。

因此，可实现逆变器和直流电压转换器的有效组合。

控制单元可设置用于在转换器模式中控制开关单元，以便基于充电电压顺序地在pwm周期的第一区段中将线圈直接或间接地设置在充电电压的第一和第二极之间，以便磁化线圈，并且在pwm周期的第二区段中将线圈设置在车载电网电压的第一极和充电电压的第一极之间，以便使线圈去磁。各区段的顺序可周期性地重复，以便将电能从车辆的充电插座传递到电能存储器。

电路装置可包括一个或多个电容器，其设置在车载电网电压的第一和第二极之间。所述一个或多个电容器既可在转换器模式中也可逆变器模式中用于平滑车载电网电压。

尤其是电路装置可包括具有至少两个串联电容器的电容分压器。所述至少两个串联电容器可串联设置在车载电网电压的两个极之间并且将车载电网电压分成两个或更多(可能相同的)分电压。通过使用电容分压器可提供两个以上的电压电平。这对于转换器模式和逆变器模式都是有利的。尤其是一方面可提供电机的均匀运行并且另一方面可提供均匀的充电电流。

开关单元可包括至少两个串联的第一开关(尤其是高侧开关)，它们设置用于将电机的相(即半桥的中点)与车载电网电压的第一极耦联或与其解耦。此外，开关单元可包括第一中性开关，其设置用于将在电容分压器的两个电容器之间的分压点与在两个串联的第一开关之间的中点耦联或与其解耦。通过这种开关布置可(在车载电网电压第一极的电位和第二极的电位之间)提供中性电压电平。

相应地，开关单元可包括至少两个串联的第二开关(尤其是两个低侧开关)，它们设置用于将电机的相(即半桥的中点)与车载电网电压的第二极耦联或与其解耦。另外，开关单元可包括第二中性开关，其设置用于将分压点与在两个串联的第二开关之间的中点耦联或与其解耦。

因此，总体上可提供用于3电平逆变器的开关单元。该开关单元可用于提供3电平直流电压转换器、尤其是3电平升压转换器。控制单元可设置用于在逆变器模式中控制开关单元，以便基于车载电网电压产生针对相电压的正、负和中性电平。从而可实现电机的稳定运行。

另一方面，控制单元可设置用于在转换器模式中控制开关单元，以便基于充电电压顺序地通过电容器中的第一电容器磁化线圈；通过电容分压器的电容器使线圈去磁；通过电容器中的第二电容器磁化线圈；并且通过电容分压器的电容器使线圈去磁。该顺序可在一系列pwm周期中重复，以便将具有充电电压的电能转换成具有车载电网电压的电能。因此可提供用于对车辆的能量存储器充电的稳定充电电流。

线圈一方面可与在两个串联的第一开关之间的中点并且另一方面尤其是可通过第一断路开关与充电电压的第一极耦联。此外，在两个串联的第二开关之间的中点，尤其是通过第二断路开关，可与充电电压的第二极耦联。

控制单元可设置用于在转换器模式中控制(尤其是打开)一个第一开关和一个第二开关，以便既将线圈也将充电电压的第二极与半桥的中点(和因此与电机的相)解耦。尤其是可在转换器模式中打开直接耦联在半桥中点上的第一开关和直接耦联在半桥中点上的第二开关。由于开关单元与电机解耦，因此可实现特别节能的直流电压转换器运行。

电路装置可包括用于电机的l相的l个开关单元且l>1(例如l＝3)。此外，电路装置可包括l个线圈和l组断路开关，它们分别与l个开关单元之一和充电电压耦联。控制单元可设置用于在转换器模式中这样运行l个开关单元，使得在充电电压和车载电网电压之间提供l个并联的直流电压转换器。因此可增加通过电路装置传输的充电功率。直流电压转换器可相移地运行(例如具有360°/l的相移)。因此可减小充电电流的纹波。

根据另一方面，描述了一种用于运行本文中说明的电路装置的方法。该方法包括确定电路装置是应以转换器模式还是以逆变器模式运行。例如可确定：是否应执行充电过程或者车辆是否处于行驶运行中。如果电路装置应以转换器模式运行，则该方法包括：促使断路开关经由线圈将开关单元与充电电压耦联。此外，该方法还包括：这样运行开关单元，使得通过线圈将具有充电电压的电能转换成具有车载电网电压的电能。

另一方面，如果电路装置应以逆变器模式运行，则该方法包括：促使断路开关将开关单元与充电电压解耦。该方法还包括：这样运行开关单元，使得基于车载电网电压产生用于电机的相的相电压。

根据另一方面，描述了一种车辆(尤其是公路车辆、如客车、货车或摩托车)，其包括本文中描述的电路装置。

根据另一方面，描述了一种软件(sw)程序。该sw程序可构建用于在处理器上运行并且由此可执行本文件中描述的方法。

根据另一方面，描述了一种存储器介质。该存储器介质可包括sw程序，该sw程序构建用于在处理器上运行并且由此可执行本文中描述的方法。

应指出，本文中所描述的方法、装置和系统不仅可单独，而且也可结合其它本文中所描述的方法、装置和系统来使用。另外，本文中所描述的方法、装置和系统的任何方面可以多种方式相互组合。尤其是权利要求的特征可以多种方式相互组合。

附图说明

此外，参考实施例详细阐述本发明。附图如下：

图1示出用于车辆能量存储的示例性充电系统的框图；

图2a示出用于车辆驱动机的示例性逆变器；

图2b示出相电压的示例性曲线；

图2c示出用于逆变器的示例性开关单元；

图2d示出一种示例性直流电压转换器；

图3a示出具有转换器和逆变器功能的另一种示例性电路装置；

图3b示出具有转换器和逆变器功能的另一种示例性电路装置；

图3c示出在转换器模式中用于开关单元的开关的示例性控制信号；

图4示出具有多相转换器和逆变器功能的一种示例性电路装置；和

图5示出用于运行车辆电路装置的一种示例性方法的流程图。

具体实施方式

如上所述，本文涉及在车辆中有效地提供升压转换器。就此而言，图1示出包括充电站110和车辆120的示例性充电系统100的框图。车辆120包括可以利用来自充电站110的电能充电的电能存储器122。车辆120包括充电接口、尤其是充电插座121，充电电缆112的相应插头111可插到该充电插座上。充电插座121和插头111形成插接系统。

车辆120包括控制单元123，该控制单元设置用于控制充电站110上的充电过程。为此目的，车辆120的控制单元123可设置用于根据预定义的通信协议与充电站110通信。

图2a示出一种示例性逆变器200，其设置用于基于车载电网电压vb210(即直流电压)产生用于车辆120电机203的线圈的相电压211(即交流电压)。逆变器200(或者说inverter换流器)包括多个开关202，所述开关在所示示例中针对每个相分别设置在一个半桥中。开关202由控制单元201控制，以便产生用于电机203的相电压211。

图2b示出可由一个半桥的开关202产生的示例性相电压211。如图2b所示，开关202以特定的开关频率切换(即打开或闭合)。

图2c示出逆变器200、尤其是3电平npc(中性点钳位型)逆变器200的一个相的进一步细节。逆变器200可包括电容器231，用于平滑车载电网电压210并且用于提供中性电平。逆变器200包括开关202，其能提供三个不同的输出电平、尤其是+vb/2电平、中性电平(在电容器231之间)和-vb/2电平，使得可在逆变器200的相的输出端处以增加的精度、尤其是以单值的过零点产生相电压211或相电流221。为此目的，逆变器200的相包括：第一开关或者说高侧开关t1311和t2312，利用其可产生+vb/2电平；第二开关或者说低侧开关t3313和t4314，利用其可产生-vb/2电平；以及开关t2312和d5315和/或t3313和d6316，利用其可产生中性电平。

如开头所述，优选使用尽可能高的车载电网电压210(如800v)，以便将尽可能多的能量传输给车辆120的能量存储器122。另一方面，用于对车辆120的能量存储器122充电的充电电压可小于车载电网电压210。图2d示出一种示例性直流电压转换器250、尤其是升压转换器，其设置用于将充电电压240升压到车载电网电压210，以便以车载电网电压210对能量存储器122充电。直流电压转换器250包括线圈241、各种开关251、254、255、256和平滑电容器231。

用于充电过程的附加直流电压转换器250的安装伴随着额外的成本和额外的安装空间/重量。另一方面，图2c和2d的比较示出直流电压转换器250需要已经安装在逆变器200的相中的部件。尤其是直流电压转换器250所需的开关202和电容器231已经安装在逆变器200中。因此逆变器200的相可有效地用于提供直流电压转换器250。

图3a示出一种示例性组合式逆变器/直流电压转换器300，其包括共同的、具有开关202的开关矩阵或开关单元310，这些开关既可用于逆变器功能也可用于直流电压转换器功能。另外，平滑电容器231也可用于逆变器功能和直流电压转换器功能。此外，组合式逆变器/直流电压转换器300包括线圈241，该线圈241可通过断路开关301与充电电压204的端子或极耦联或与其解耦。

为了提供逆变器功能，可打开断路开关301，从而可通过开关矩阵310提供相电流221。为此可控制开关311、312、313、314、315、316，以便为相电压211提供不同的电压电平。

为了提供直流电压转换器功能，可闭合断路开关301，从而经由线圈241并且通过运行开关矩阵310可以将具有充电电压240的电能转换成具有车载电网电压210的电能。为此，开关312和313可保持打开，以便将直流电压转换器与电动机203解耦。开关311和314可作为二极管运行，其具有图3a中所示的开关311、314的寄生二极管的定向。开关315和316可以特定pwm频率闭合或打开。在此，开关315、316的pwm占空比可以被调整，以便基于充电电压240在整流器输出端处提供特定的车载电网电压210。

图3c示出当电路装置300作为直流电压转换器运行时用于控制开关315、316的示例性控制信号355、356。在pwm周期360开始时，即在时间361，开关315可闭合(而开关316保持断开)。由此通过线圈241的线圈电流359增加(即线圈241被磁化)并且流过开关315、下电容器231和作为二极管运行的开关314。在线圈241上的电压降在此是vl-vb/2，其中vl是充电电压240并且vb是车载电网电压210。在此假设：电容器231的规格相同(并且因此相对于车载电网电压210形成电容分压器，其将车载电网电压210一分为二)。在时间262，开关315闭合，使得线圈电流259流过作为二极管运行的开关311、上电容器231、下电容器231和作为二极管运行的开关314。线圈电流259在此减小(即线圈241被去磁)，线圈241上的电压降为vb-vl。在pwm周期360的下一半中，开关316以相应的方式在时间363、364被操作。因此，能以稳定的方式通过三电平直流电压转换器提升充电电压240。

开关315、316必要时也可仅构造为无源二极管(如图3b所示)。在此情况下，有源开关311、312、313、314可用于提供两电平整流器，以提升充电电压240。在pwm周期360的第一区段中，开关312、313可闭合(而开关311、314断开)，以便将能量存储在线圈241中(即磁化线圈241)。在线圈241上的电压相应于充电电压vl240。在pwm周期360的第二区段中，开关311、314可闭合(开关312、313闭合)，使得存储在线圈241中的能量可传递到直流电压转换器的输出端(并且线圈241被去磁)。于是线圈241上的电压为vb-vl。

图4示出一种示例性电路装置400，其中，逆变器200的l＝3个相分别用于提供一个直流电压转换器。为此目的，为每个相提供线圈241和断路开关310，以便将直流电压转换器与充电电压240耦联。逆变器200的控制单元201可设置用于选择性地控制开关202以用于逆变器功能(即针对逆变器模式)或直流电压转换器功能(即针对转换器模式)。此外，控制单元201可控制断路开关301。

在根据图3a的第一种变型方案中，各个直流电压转换器可在不同相(例如分别具有120°的相移)中运行。因此可减小充电电流在直流电压转换器的输出端处的纹波。另一方面，在根据图3b的第二种变型方案中，存在各个直流电压转换器之间通过电动机203的耦联，从而各个直流电压转换器应彼此同步运行。但通过使用多个并联的直流电压转换器能增加可传输的充电功率。

图5示出用于运行车辆120中的电路装置400的一种示例性方法500的流程图。该电路装置400可既具有逆变器功能又具有直流电压转换器功能。尤其是电路装置400可包括具有多个开关311、312、313、314、315、316的开关单元或开关矩阵310。在此，开关单元310设置用于将车辆120的电机203(尤其是驱动机)的至少一个相以不同的配置与车辆120的dc(直流)车载电网电压210耦联，以便产生用于电机203的相的ac(交流)相电压211。车载电网电压210可由车辆120的电能存储器122(如通过锂离子存储器)提供。开关单元310因此可为电机203的至少一个相提供逆变器或者说换流器200。

此外，电路装置200包括线圈241和断路开关301。在此，断路开关301设置用于经由线圈241将开关单元310与dc充电电压240耦联或与充电电压240解耦。充电电压240例如可被提供到车辆120的充电接口121上。线圈241与开关单元310耦联成，使得可借助线圈241在充电电压240和车载电网电压210之间提供直流电压转换器、尤其是升压转换器。

方法500包括确定501电路装置400是应以转换器模式还是以逆变器模式运行。另外，如果电路装置400应以转换器模式运行，则方法500包括促使502a断路开关301将开关单元310经由线圈241与充电电压240耦联。为此目的，可闭合断路开关301。此外，如果电路装置400应以转换器模式运行，则方法500还包括这样运行503a开关单元310，使得通过线圈241将具有充电电压240的电能转换成具有车载电网电压210的电能。因此可通过开关单元310并且借助线圈241提供经切换的直流电压转换器。

如果电路装置400应以逆变器模式运行，则方法500包括促使502b断路开关301将开关单元310与充电电压240解耦。由此，线圈241也可与开关单元310解耦或至少切换成无电位的。此外，如果电路装置400应以逆变器模式运行，则方法500还包括这样运行503b开关单元310，使得基于车载电网电压210产生用于电机203的相的相电压211。因此开关单元310可作为逆变器或变流器运行。

通过提供开关单元310——其既可用于对能量存储器122充电又可用于运行车辆120的电机203——可减少安装空间、车辆120的重量和成本。

本发明不限于所显示的实施例。尤其是应注意，说明书和附图仅用于说明所提出的方法、装置和系统的原理。