CN101479919A - 对特别是超级电容器的电能存储元件充电的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的从特别是电池的第二电能存储设备(2)向特别是超级电容器的第一电能存储元件(1)充电的设备是包括被安置在第一和第二元件之间的可逆DC/DC转换器(3)的一类设备。按照本发明，所述设备还包括被安置在DC/DC转换器(3)和第一元件(1)之间的降压转换器(4)。有利地，所述设备包括受控(11、12、23)部件，以便从特别是处于不良充电状态的电池的第二元件(2)以低电流向第一元件(1)充电，以便从即使处于不良充电状态的电池也能够启动机动车辆的引擎。

Description

对特别是超级电容器的电能存储元件充电的方法和设备
技术领域
本发明涉及从例如电池的另一个储存元件向例如超级电容器的电能存储元件进行充电的方法。
本发明也涉及用于实现该方法而设计的充电设备，特别是在机动车辆上的双电压供电网络。
背景技术
在这类网络中，两个存储元件具有不同的额定直流服务电压，并且需要一个被安置在两个元件之间的、本领域技术人员称之为DC/DC转换器的可逆转换器，以便执行从一个到另一个的能量转移。
已知的问题是具有较高额定电压的存储元件被另一个元件进行的初始充电，其中充电直到后者的额定电压。
当目标是从例如12V的电池向几十甚至几百法拉的超级电容器充电时，技术问题特别难以解决，因为这会出现一个非常大的初始电流需求。
通常，DC/DC转换器自身不能提供这个电流。因此使用一个额外的设备来执行初始充电。
最简单的已知设备包括被插入到两个存储元件之间的电阻器。
这个简单方案有几个缺点：
-如果电阻器具有低的欧姆值，为了减小初始充电的持续时间，则充电电流非常大，导致高功率、高成本电阻器的使用；
-如果选择根据功率消耗可接受的电阻值，例如1欧姆，则充电的持续时间变得不能容忍(超过15分钟)；
-在元件之间永久连接的电阻器导致相当大的泄漏电流，以及从一个元件到另一个元件的放电。
在专利申请FR2838572中，VALEO公司公开了一种消除上述缺点的解决方案。
在具有高额定电压的第一元件的初始充电期间，这个解决方案包括：将本领域技术人员所称的降压型转换器在具有低额定电压的第二元件的输出和DC-DC转换器的输入之间投入使用，直到第一元件端子电压等于第二元件额定电压的时刻为止。
降压转换器(“buck转换器”对本领域技术人员来说更有名)实质上包括例如“MOSFET”型晶体管的静态开关，与断开时间有关的闭合时间使得控制平均充电电流成为可能。
由于晶体管的开关功能，消除了电阻器热耗高的缺点。
然而，这个解决方案有如下缺点：它减小了在存储元件之间能量转移的总输出。
事实上，当第一元件的端子电压低于第二元件的额定电压时，仅仅在从第二元件向第一元件充电的初始阶段使用降压转换器。
在针对机动车辆的应用中，第一元件是超级电容器并且第二元件是电池的应用情况中，这种情形是不常见的。
在大部分时间里，超级电容器的端子电压高于电池电压，并且降压转换器的静态开关构成一个减损系统性能的串联电阻性充电，即使这个开关是永久闭合的。
另外，被布置在降压转换器上游的、并且被设计为对被这个降压转换器以及DC/DC转换器切换的电流进行滤波的滤波器，必须对由这个降压转换器所引起的截止点电平(cut-off)进行滤波，这意味着这个滤波器必须很大。
发明内容
因此，本发明的目标是对从特别是电池的第二电能存储元件向特别是超级电容器的第一电能存储元件充电的已知方法进行改进。
因为第一元件具有第一额定直流服务电压，并且第二元件具有低于所述第一电压的第二额定直流服务电压，根据本发明的充电方法是在以已知的方式实现被安置在第一和第二元件之间的可逆DC/DC转换器的类型。
根据本发明的方法，其特征为：
-当第一元件的充电电压低于第二电压时，将被安置在DC/DC转换器和第一元件之间的降压转换器额外地投入使用，并且将DC/DC转换器退出使用。
-当第一元件的充电电压高于或等于第二电压时，将降压转换器退出使用，并且将DC/DC转换器投入使用。
更适宜地，当降压转换器被投入使用时，借助于分路器，并且通过改变被安置在降压转换器输入和输出端子之间的第一静态开关的命令信号的循环比，来控制第一元件的充电电流。
更适宜地，当DC/DC转换器处于服务中时，通过交替地断开和闭合被安置在DC/DC转换器中，并且在降压转换器输入端子上形成并联分割桥的第二和第三静态开关，来控制第一元件的充电电流，将桥的中点连接到与分路器串联的第一有感电阻器。
更适宜地，通过闭合第二开关和断开第三开关，使DC/DC转换器退出服务。
非常有利地，通过断开第一和第二开关避免了所述第一元件的放电。
本发明还涉及为实现上述方法而设计的、从特别是电池的第二电能存储设备向特别是超级电容器的第一电能存储元件进行充电的设备。
因为第一元件具有第一额定直流服务电压，以及第二元件具有低于所述第一电压的第二额定直流服务电压，根据本发明的充电设备是包含以已知方式的被安置在第一和第二元件之间的可逆DC/DC转换器的一类设备。
根据本发明的充电设备的特征在于：它额外地包括：降压转换器，被安置在DC/DC转换器和第一元件之间；以及开关和受控部件，以便当第一元件的充电电压低于第二电压时，把降压转换器投入服务并且使DC/DC转换器退出服务，当第一元件的充电电压大于等于第二电压时，把降压转换器退出服务并且将DC/DC转换器投入服务。
更适宜地，通过被安置在降压转换器输入和输出端子之间的第一静态开关，以及被并行地安置在这个降压转换器输出端子上的二极管来形成降压转换器。
更适宜地，DC/DC转换器包括：第二和第三静态开关，形成并联在降压转换器输入端子上的分割桥，将桥的中点连接到与分路器串联的第一有感电阻器，以及还包括并联在分割桥上的第一电容器。
另外，非常有利地，根据本发明的充电设备包括：第一滤波器，被安置在第二元件和DC/DC转换器之间；以及第二滤波器，被安置在降压转换器和第一元件之间。
更适宜地，第一滤波器是由第二有感电阻器、以及第二和第三电容器所组成的π型滤波器。
更适宜地，第二滤波器还是由第三有感电阻器和第四电容器形成的低通滤波器。
有利地，第一和第二滤波器中的每一个包括分别与第二和第三有感电阻器串联的保险丝。
也应当注意，有利地，能够装配在机动车辆上的根据本发明的充电装置能够包括受控部件：用于从第二存储元件特别是处于不良充电状态的电池以低电流向第一存储元件充电，以便允许由即使处于不良充电状态的电池也可以启动车辆的热引擎。
这几个主要技术说明将使本领域技术人员容易理解相比于现有技术由根据本发明的充电方法和设备所带来的优点。
在下文结合附图的描述中给出了本发明的详细规范说明。应当注意，这些附图仅仅用于图解描述的文本，并不构成对发明范围的限制。
附图说明
图1a和1b示意性说明从另一个元件向储能元件充电的现有已知的方法。
图2a和2b示意性说明根据本发明的从另一个元件向储能元件充电的方法。
图3表示从另一个元件向储能元件充电的现有已知的设备的框图。
图4表示从另一个元件向储能元件充电的、根据本发明的设备的优选实施例的框图。
具体实施方式
图1a、1b、2a和2b示意性地显示由超级电容器1所构成的第一电能存储元件，它与由电池2所构成的第二电能存储元件相关联。
在机动车辆的车载电网上，超级电容器1端子上的额定直流服务电压能够从例如14V变化到28V，而电池2端子上的电压基本上为12V。
可逆DC/DC转换器3根据车辆的不同单元和配件的电力需求，保证在两个存储元件1、2之间的能量转移。
当目标是将这个电容器1充电到0V到12V电池2的额定电压之间时，即可逆DC/DC转换器3的操作范围之外时，会发生超级电容器1的初始充电问题，本领域技术人员也称之为“预充电”问题。
已经由VALEO公司在申请FR2838572中所提出的、并且如图3中所示的解决方案包括：在预充电期间将电池2和可逆DC/DC转换器3之间的降压转换器4投入使用。
同时，如图1a的符号表示，通过将DC/DC转换器3输入和输出连接起来的第一闭合开关5，将此后不再使用的可逆DC/DC转换器3放置在尽可能透明即被实际分路的状态。
在预充电期间，通过电池2和降压转换器4对超级电容器1供电，控制它的输出电压以便限制瞬时充电电流。
当超级电容器1的端子电压达到电池2的额定电压时，将可逆DC/DC转换器3重新投入使用，如图1b中的第一打开开关5的符号表示。
如图1b的符号表示，通过连接降压转换器4的输入和输出的第二闭合开关6，将降压转换器4置于在可逆DC/DC转换器3的电路中具有最低可能电阻的状态。
在超级电容器1和电池2之间转换能量的已知方法也实现了在存储元件1、2的端子处的低通滤波器7、8，以便对开关切换的电流滤波。
在图2a和2b中所示的根据本发明的方法不同于在图1a和1b中所示的已知方法，基本区别在于在可逆DC/DC转换器3和第一储能元件1之间实现了降压转换器4，而不是在第二储能元件2和可逆DC/DC转换器3之间实现了这个转换器。
在预充电期间(图2a)，闭合的第一开关5通过符号所示，将可逆DC/DC转换器3退出使用，而断开降压转换器4的输入和输出之间的第二开关6。
相反，当结束预充电时，将可逆DC/DC转换器3重新投入使用，并且通过第二开关6的闭合来象征分路降压转换器4(图2b)。
与图1a和1b中所表示的方法相比，图2a和2b所表示的方法提供了设备在总体性能方面的改善。
实际上，因为在正常操作(图2b)中第一存储元件1的端子电压高于第二存储元件2的端子电压，对于由降压转换器4退出使用所提供的给定等价电阻来说，针对相同的转移功率，在根据本发明的方法中穿过这个等价电阻的电流要低于当如已知方法将这个等价电阻插入到可逆DC/DC转换器3和第二存储元件2之间时的电流。
将图4中给出的实现图2a和2b中所示方法的设备的优选实施例的框图与图3中显示的实现图1a和1b中所示的已知方法的设备的框图进行详细比较，将会理解本发明相对于现有技术的其它优点。
降压转换器4包括：第一静态开关9，优选为MOSFET型的功率晶体管，被安置在输入和输出之间；以及二极管10或者另一个MOSFET，被并联地安置在输出上。
与图3中所示的降压转换器4的同一框图相比，在可逆DC/DC转换器3和超级电容器1之间连接这个转换器4提供了一个优点：保护可逆DC/DC转换器3免受超级电容器1端子处的逆电压的损害。然而应当注意，在其它实施例中通过安装在输入端的保险丝能够保证此类的保护。
如图4中清楚地显示，可逆DC/DC转换器3包括第二和第三静态开关11、12，在降压转换器4的输入端子上并联地形成一个分割桥。将桥11、12的中点连接到与分路器14(具有非常低的电阻值)串联的第一有感电阻器13。另外，可逆DC/DC转换器3具有并联在分割桥11、12上的第一电容器15。
与图3中的框图相比，图4中所示的可逆DC/DC转换器3的根据本发明的安置提供了如下优点：在预充电期间，通过由第一有感电阻器13和第一电容器15的组合所构成的低通滤波器，以及由第一滤波器7所获得的滤波对充电电流进行滤波，其中，第一滤波器7由第二有感电阻器16和存在于两个组件中的第二和第三电容器17、18所组成。
因此，与如图3中所示的已知布置相比能够减小这个第一滤波器7的尺寸(和成本)。
在图4中安装了第二滤波器8。这是一个由第三有感电阻器19和第四电容器20所构成的低通滤波器。与图3中的组件相比，这个第二滤波器8包括与第三有感电阻器19串行连接的保险丝21，并且与降压转换器4输出端的二极管10组合起来全面地保护可逆DC/DC转换器3。
在预充电期间，通过保持第二静态开关11闭合，以及通过利用在它们的控制栅极上的适当电压来保持第三静态开关12断开，将可逆DC/DC转换器3退出使用。
在这些条件下，通过处在“闭合”状态的第二静态开关11的电阻，第一有感电阻器13、分路器14的电阻，以及作用于降压转换器4的第一静态开关9栅极的命令信号的循环比，来控制充电电流平均强度。
在正常的操作中，可逆DC/DC转换器3增加电池2的电压，并且通过借助作用于其栅极的命令信号来恰当地控制第二和第三静态开关11、12的交替断开和闭合来控制超级电容器1的充电电流。
上述通过命令信号实现对第二和第三静态开关11、12的控制允许通过相对较低强度的电池电流向超级电容器1进行充电。因此有可能通过处于不良充电状态的电池2向超级电容器1充电，并且通过已充电的超级电容器1启动热引擎，尽管电池电量不足。
在正常操作模式中，通过借助在其栅极上所需要的电压来保持第一静态开关9闭合，使降压转换器4退出使用。
因此，退出使用的降压转换器4所具有的、与工作中的可逆DC/DC转换器3串行的电阻，是第一静态开关9的处于“闭合”状态的电阻或者“导通电阻”。
如前所述，组件的这部分4中的电压高于以前版本中的电压。对于相同的转移功率，在导通电阻9中循环的强度因此较低，结果能量损失较低。
由于类似的原因，当系统处于备用时，换句话说，当所有的静态开关9、11、12断开时，根据本发明的设备中的损耗也比已知组件中的损耗低，因为将电阻加入到具有最强电势的电路部分中。
应当理解，本发明并不简单地限于前面所述的优选实施例。
特别地，作为一种变化，通过用一个晶体管来代替并联在降压转换器4输出端子上的二极管10，以便减小在预充电(同步整流)期间的损耗，以增加控制复杂度为代价，增加了系统的总体性能。
因此本发明并入了所有可能的不同实施例，假定这些都保持在以下权利要求书所定义的范围中。

Claims (13)

1.一种从特别是电池(2)的第二电能存储元件(2)向特别是超级电容器(1)的第一电能存储元件(1)充电的方法，所述第一元件(1)具有第一额定直流服务电压，并且所述第二元件(2)具有低于所述第一电压的第二额定直流服务电压，此方法包括实现被安置在所述第一和第二元件(1、2)之间的可逆DC/DC转换器(3)的类型，其特征在于：
-当所述第一元件(1)的充电电压低于所述第二电压时，将安置在所述DC/DC转换器(3)和所述第一元件(1)之间的降压转换器(4)额外地投入使用，并且将所述DC/DC转换器(3)退出使用；
-当所述第一元件(1)的充电电压高于或等于所述第二电压时，将所述降压转换器(4)退出使用，并且将所述DC/DC转换器(3)投入使用。
2.根据权利要求1的充电方法，其特征在于：当将所述降压转换器(4)投入使用时，借助于分路器(14)并且通过改变被安置在所述降压转换器(4)的输入和输出端子之间的第一静态开关(9)的命令信号的循环比，来控制所述第一元件(1)的充电电流。
3.根据权利要求2的充电方法，其特征在于：当所述DC/DC转换器(3)处在使用状态时，通过交替地命令第二和第三静态开关(11、12)断开和闭合来控制所述第一元件(1)的充电电流，第二和第三静态开关(11、12)被安置在DC/DC转换器(3)中，并且形成并联在所述降压转换器(4)的所述输入端子上的分割桥，将所述桥的中点连接到与分路器(14)串联的第一有感电阻器(13)。
4.根据权利要求3的充电方法，其特征在于：通过闭合所述第二开关(11)并且断开所述第三开关(12)，使所述DC/DC转换器(3)退出使用。
5.根据权利要求4的充电方法，其特征在于：通过断开所述第一、第二和第三开关(9、11、12)来避免所述第一元件(1)的放电。
6.一种从特别是电池(2)的第二电能存储元件(2)向特别是超级电容器(1)的第一电能存储元件(1)充电的设备，所述第一元件(1)具有第一额定直流服务电压，并且所述第二元件(2)具有低于所述第一电压的第二额定直流服务电压，该类设备包括被安置在所述第一和第二元件(1、2)之间的可逆DC/DC转换器(3)，其特征在于：它额外地包括被安置在DC/DC转换器(3)和所述第一元件(1)之间的降压转换器(4)，以及开关(11、12、9)和控制(23)部件，以便当所述第一元件(1)的充电电压低于所述第二电压时，将降压转换器(4)投入使用并且将DC/DC转换器(3)退出使用，以及当所述第一元件(1)的充电电压大于或等于所述第二电压时，将所述降压转换器(4)退出使用，并且将DC/DC转换器(3)投入使用。
7.根据权利要求6的充电设备，其特征在于：通过被安置在所述降压转换器(4)输入和输出端子之间的第一静态开关(9)以及被并联安置在所述降压转换器(4)输出端上的二极管(10)，来形成所述降压转换器(4)。
8.根据权利要求7的充电设备，其特征在于：所述DC/DC转换器(3)包括：第二和第三静态开关(11、12)，形成一个并联在所述降压转换器(4)的所述输入端子上的分割桥，将所述桥的中点连接到与分路器(14)串联的第一有感电阻器(13)，以及包括并联在所述分割桥上的第一电容器(15)。
9.根据权利要求8的充电设备，其特征在于：它额外地包括：第一滤波器(7)，被安置在所述第二元件(2)和所述DC/DC转换器(3)之间；以及第二滤波器(8)，被安置在所述降压转换器(4)和所述第一元件(1)之间。
10.如权利要求9所述的充电装置，其特征在于：所述第一滤波器(7)是由第二有感电阻器(16)以及第二和第三电容器(17、18)所形成的π型滤波器。
11.根据权利要求9的充电设备，其特征在于：所述第二滤波器(8)是由第三有感电阻器(19)和第四电容器(20)所形成的低通滤波器。
12.根据权利要求11的充电设备，其特征在于：所述第一和第二滤波器(7、8)的每一个包括与所述第二和第三有感电阻值(16、19)串联的保险丝(22、21)。
13.根据权利要求6到12中任意一个的能够装配在机动车辆上的充电设备，其特征在于：它包括受控部件(11、12、23)，用于从特别是处于不良充电状态的电池的所述第二存储元件(2)以低电流向所述第一存储元件(1)充电，以便即使从处于不良状充电态的电池(2)也允许启动车辆的热引擎。
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